近日，国际知名期刊Nature Communications在线发表了华中师范大学化学学院刘晓教授与天津大学巩金龙教授合作的最新研究成果。该研究围绕环氧丙烷（PO）绿色合成这一重要需求，针对目前氯介导的丙烯电氧化过程中活性氯物种的利用效率低的瓶颈问题，提出通过改变氯离子吸附构型来调控活性氯物种，优化丙烯反应路径的策略，实现了高效、高选择性和高稳定性的PO电合成，为可再生电力驱动的大宗化学品绿色制造提供了新思路。论文题目为《Chlorine radical-mediated electrochemical propylene epoxidation from seawater》（Nature Communications）。华中师范大学为该论文的第一完成单位，化学学院博士研究生程鸣、孙小娴和天津大学张鹏教授为第一作者，华中师范大学刘晓教授与天津大学巩金龙教授为论文通讯作者。
环氧丙烷是全球年产量超千万吨的重要化工原料，传统工业生产方法存在能耗高、污染重、原子经济性差等问题。利用海水进行电催化氯介导的丙烯氧化反应为可持续合成PO提供了一项极具前景的方案。传统氯介导氧化过程以HClO为主要活性氯物种，虽然该过程具有高的电流密度和选择性，但HClO会自发不可逆分解为无反应活性的ClO⁻，使其法拉第效率仍不能令人满意。此外，在形成HClO的化学计量歧化反应中，部分被氧化的Cl⁻会还原回无反应活性的HCl，导致电荷利用效率低并产生额外的能量损失。面对这一挑战，研究团队通过闪蒸焦耳热将Li掺入Co3O4，实现了氯自由基 (•Cl) 介导的高效丙烯环氧化。在模拟中性海水中获得接近99.0%的高PO法拉第效率和20.6 mol/m2/h的产率，分别是原始Co3O4和商用RuIrTi阳极的5.2倍和1.4倍，并展现出超过100小时的长期稳定性。值得注意的是，Li-Co3O4 即使在0.5 A cm-2的工业级电流密度下仍能保持良好稳定性，并能实现78.9 mol/m2/h的高PO收率。机理研究表明，Li掺杂将Co3O4上Cl⁻ 的吸附构型从线性Co-Cl结构转变为更有利的三角Li-Cl-O构型，从而促进•Cl生成和利用，进而将丙烯氧化路径从传统HClO途径转向更高效的•Cl路径。该研究不仅为电催化丙烯氧化机制提供了新的见解，更为利用废弃锂离子电池、海水和可再生电力可持续合成商业化学品开辟了广阔前景。
图1 (a) Li-Co3O4和 (b) Co3O4表面丙烯氧化反应过程示意图。
刘晓教授团队从事“金属氧化物表界面催化转化”研究，发展传统催化反应中分子氧和晶格氧活化策略，探究表界面活性物种迁移转化行为，应用于挥发性有机污染物催化燃烧、汽车尾气净化、有机小分子高值转化等。近5年以通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、AIChE J.、ACS Catal.、Environ. Sci. Technol. 等国际权威期刊发表高水平论文30余篇，申请发明专利十余件。该项研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70733-4
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