The Innovation | 钯膜反应器的新应用：优势与挑战

导 读

钯膜电加氢体系 (Pd membrane electro-hydrogenation system) 以其绿色的氢源、简易的调控性、较高的能源利用效率和对加氢反应的普适性受到广泛关注，并在催化、环境、医药等众多领域取得重要研究进展。中国科学院理化技术研究所张铁锐团队总结了钯膜电加氢反应体系的基本结构和优势，介绍了其在合成氨反应中的创新应用，并对该体系目前面临的挑战作出展望。

图1 图文摘要

钯（Pd）基催化剂由于其具有优异的吸附氢、裂解氢、储存氢性能，在热、电催化加氢反应中被广泛应用。然而，传统的催化加氢体系具有诸多缺点。例如，热催化体系中制氢会带来大量原料消耗和温室气体排放，而电催化体系中析氢副反应也会导致法拉第效率和能量效率降低。相反，新兴的钯膜电加氢体系以其绿色、易调、节能的优点，推动了钯基催化剂在加氢反应领域进一步发展（图2）。

图2 热催化加氢、电催化加氢、钯膜电加氢体系示意图

钯膜电加氢是一种结合电催化和热催化体系优势的新型加氢路线。该体系由电化学侧和氢化侧组成，中间由钯膜作为间隔。电化学侧中，电解质溶液中的水分子或质子在钯膜表面获得电子被还原成活性氢物种（H*）并被吸附进入钯膜内部，经钯晶格传送至氢化侧。氢化侧中，H*从钯膜解吸附并在负载的催化剂表面与加氢底物反应。钯膜的主要功能包括以下三个方面：(i) 作为导电电极用于还原水分子或质子产生H*；(ii) 充当选择性渗透膜允许H*从电化学侧扩散至氢化侧；(iii) 为持续加氢反应和催化剂提供稳定支撑。钯膜电加氢体系可以分别调控H*产生和加氢反应两个进程，例如通过适当增加电化学侧中电解质溶液的酸度以促进H*的产生和转移，进而提升加氢体系的反应速率；或在加氢侧引入有机底物进行反应，以保证产物分离效率，同时不影响电化学侧的离子浓度和能量效率。

近日，加拿大蒙特利尔大学Nikolay Kornienko等学者设计了一种新型钯膜电加氢体系用于转化乙腈到氨和乙醛的反应（图3），在–0.5 V（vs. Ag/AgCl）电压下产氨法拉第效率可达60%，且相比之前的体系，该新体系过电势和反应温度大大降低（室温即可）。该体系还通过耦合红外光谱技术，成功在钯膜表面探测了一系列反应中间体，包括CH₃CN*和首先被氢化的*NH_x。该工作为乙腈建立了新的加氢路线，并将钯膜电加氢体系的底物范围从不饱和碳化合物扩展到含氮化合物。

图3 乙腈钯膜电加氢体系示意图

然而，钯膜电加氢体系仍面临若干挑战。例如，钯膜上反应活性位点的数量和活性有待提升；钯膜储氢导致的脆性结构需要补强；体系法拉第效率需要进一步提高；双侧合成产物附加值需要增加等。应对上述挑战需对钯膜、反应器双侧结构、反应类型以及催化剂等多方面进行探究和改进。

总结与展望

本文总结了钯膜电加氢反应体系的基本结构和加氢原理，并讨论了钯膜和整体反应器的优势。同时，还介绍了新型钯膜电加氢体系耦合红外光谱技术。最后，本文对钯膜电加氢反应体系目前在催化剂设计、钯膜改性和应用反应类型等方向面临的挑战作出了展望。

责任编辑

何健荣  广州市妇女儿童医疗中心

王   然  中国科学院微电子研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00120-5

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“Palladium membrane electro-hydrogenation” (投稿: 2022-06-25；接收: 2022-08-30；在线刊出: 2022-09-15)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100324

引用格式：Ma Y., Shi R., Zhang T. (2022). Palladium membrane electro-hydrogenation. The Innovation. 3(6),100324.

作者简介

张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士，吉林大学有机化学博士。之后，在德国、加拿大和美国进行博士后研究。2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究，在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等期刊上发表SCI论文300余篇，被引用29000多次，H指数95，并入选2018-2020科睿唯安“全球高被引科学家”；申请国家发明专利52项（已授权39项）。曾获皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、国家“万人计划”科技创新领军人才等资助、以及中国感光学会青年科技奖等奖项。2017年当选英国皇家化学会会士。兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials、Advanced Science、Solar RRL等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委，中国化学会能源化学专业委员会-秘书长，中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员等学术职务。

施 润，中国科学院理化技术研究所副研究员。2013年起在中国科学院理化技术研究所张铁锐课题组从事能源与环境催化相关研究工作，针对催化反应中的界面扩散传质共性科学问题，开展了超浸润三相界面材料结构设计，以及气-液-固三相光/电催化反应体系研究。入选2021-2023年度中国科协“青年人才托举工程”、2021年科睿唯安全球高被引榜单及中科院青促会会员。目前担任中国感光学会青年理事，Trans. Tianjin Univ.、SusMat、Exploration等期刊青年编委。

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