材研“1-0” | 张健教授、原孟磊副教授最新JACS：有机电催化剂偶极调控实现高效乙炔半氢化

引用本文：

Bai, R.#; Chen, J. #; Lin, J.; Ma, W.; He, J.; Liu, C.; Zhou, S.; Yuan, M.*; Zhang, J*. Strong dipole-dipole interaction promotes electrocatalytic acetylene semihydrogenation over symmetric organo-electrocatalysts. J. Am. Chem. Soc. 2026.

https://doi.org/10.1021/jacs.6c03900

近日，西北工业大学材料学院张健教授团队在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Science》上发表题为“Strong dipole-dipole interaction promotes electrocatalytic acetylene semihydrogenation over symmetric organo-electrocatalysts”（强偶极-偶极相互作用促进对称有机电催化剂上的电催化乙炔半氢化）的研究论文。该研究揭示了分子对称性通过增强偶极-偶极相互作用来驱动电催化反应的机制，为设计高性能有机分子催化剂提供了全新的策略。西北工业大学材料学院博士研究生白瑞为论文第一作者，张健教授与原孟磊副教授为论文通讯作者。

文章简介

乙烯作为化学工业的基石，被广泛用于生产聚乙烯、环氧乙烷等大宗化学品和聚合物材料，全球年产量约2亿吨。然而，目前通过石油裂解生产的乙烯原料中常含有微量乙炔杂质，这些杂质会严重毒化下游聚合反应的催化剂。因此，去除乙烯原料中的乙炔杂质是生产聚合级乙烯的关键。以水为氢源的电催化乙炔半氢化（EAH）反应是极具前景的解决方案。目前，铜基催化剂是EAH领域的研究热点，但其催化性能受晶面、尺寸、缺陷等多种复杂因素影响，导致构效关系难以阐明。有机分子催化剂虽具有结构明确、可精准调控的优点，但其与反应物（如非极性的乙炔）之间的相互作用机制尚不明确，限制了其发展。

针对上述挑战，张健教授团队创新性地提出有机分子对称性调控增强催化剂与乙炔之间的偶极-偶极相互作用的新策略。以一系列氟代苯甲酸（FBA）为模型催化剂，通过系统调控氟原子的取代位置和数目，构建了具有不同电子对称性的分子电催化剂结构。研究发现，具有对称π-π共轭结构的氟代苯甲酸（如2,4,6-三氟苯甲酸，2,4,6-TFBA）展现出远高于非对称异构体的催化活性。理论计算与电化学原位表征证明，高对称性分子结构能够显著增大自身的偶极矩，并增强与乙炔分子之间的偶极-偶极相互作用。强偶极-偶极相互作用促进了羧酸根O–位点的电子重新分布，线性降低了乙炔的吸附能垒，从而高效活化乙炔。–0.9 V vs. RHE时，最优催化剂2,4,6-TFBA在纯乙炔气氛下实现了94.5%的乙烯法拉第效率和242 mA/cm2的乙烯分电流密度，性能优于已报道的众多催化剂。

图文导读

图1. 强偶极-偶极相互作用促进对称有机电催化剂上的电催化乙炔半氢化反应

图2. 在三种电极流动池中FBA的电催化性能。在纯乙炔气流下1 M KOH电解液中–0.9 V时，(a) MFBA、(b) DFBA、(c) TFBA和 (d) TeFBA的乙烯分电流密度对比。BA、4-MFBA、3,5-DFBA、2,4,6-TFBA、2,3,5,6-TeFBA和PFBA在纯乙炔气流下1 M KOH电解液中–0.9 V时的 (e) 乙烯分电流密度、(f) 极化曲线以及 (g) 法拉第效率对比

图3. 理论计算。(a) BA和FBA的偶极矩与乙烯分电流密度之间的相关性。(b) BA、4-MFBA、3,5-DFBA、2,4,6-TFBA、2,3,5,6-TeFBA和PFBA上吸附乙炔的总偶极矩与乙烯分电流密度之间的相关性。(c) BA、4-MFBA、3,5-DFBA、2,4,6-TFBA、2,3,5,6-TeFBA 和 PFBA 的乙炔吸附能与乙烯分电流密度之间的相关性。(d) BA、4-MFBA、3,5-DFBA、2,4,6-TFBA、2,3,5,6-TeFBA和PFBA的乙炔吸附能与总偶极矩之间的相关性。(e) 0 V vs. RHE时，BA、4-MFBA、3,5-DFBA、2,4,6-TFBA、2,3,5,6-TeFBA和PFBA上乙炔半加氢生成乙烯的吉布斯自由能图。

通讯作者简介

张健

2014年博士毕业于中国科学院大学山西煤炭化学研究所。2014-2017年先后在德国马普高分子研究所和德累斯顿工业大学进行博士后研究。2018年在德累斯顿工业大学分子功能材料研究所担任能源研究课题组长。2019年入选国家青年人才计划，入职西北工业大学。主要研究方向：绿色炔烯烃催化转化等。共发表研究论文110余篇，学术论著1章，谷歌学术引用>16000次，H-Index为49，入选科睿唯安全球高被引科学家；以第一作者或通讯作者身份发表研究论文70余篇，包括Nat. Chem. (1), Nat. Catal. (2), J. Am. Chem. Soc. (3), Nat. Commun. (3), Adv. Mater. (11), Angew. Chem. Int. Ed. (10), Chem (1), CCS Chem. (1), Energy Environ. Sci. (2), Joule (1), Adv. Funct. Mater. (2), Adv. Energy Mater. (1)等。申请发明专利21项（授权8项，公开13项）。主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、企业横向等。担任国家自然科学基金委函评和会评专家、省市级项目函评和会评专家等。

原孟磊

西北工业大学材料学院副教授，入选陕西省三秦英才、秦创原引用高层次创新创业人才。2022年博士毕业于中国科学院过程工程研究所，同年入职西北工业大学材料学院。目前聚焦于电催化小分子活化、含能材料绿色合成及有机电合成反应制高值化学品等方面的研究。获得陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖（第二完成人）；荣获中国国际大学生创新大赛全国优秀创新创业导师、省级优秀个人称号。以第一作者/通讯作者在J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. Int Ed. (3), Energy. Environ. Sci. (2), Adv. Funct. Mater. (2), ACS. Catal.等期刊发表论文20余篇，论文被引2800余次，H因子28，多篇文章被评选为VIP论文、热点论文及封面文章。