电化学耦合脱羧氢化：温和条件下从废弃脂肪酸可持续合成烷烃燃料新策略

《Nature Communications》：Sustainable alkane production from waste fatty acids via electrochemically coupled decarboxylation and hydrogenation

　　本研究针对传统脂肪酸衍生物制烷烃燃料过程存在的高温高压、依赖外部H2输入及催化剂易失活等难题，开发了一种电化学耦合脱羧-氢化集成策略。通过在单一反应器中耦合阳极脱羧、阴极质子还原和烯烃氢化反应，在60°C常压条件下实现了无需外部氢源的长链烷烃高效合成，对粗脂肪酸和废弃油脂等复杂原料展现出优异适应性，为绿色燃料生产提供了新路径。

　　

随着全球能源转型进程加速，开发可持续的液体燃料生产技术已成为科研界和工业界的共同焦点。长链烷烃作为柴油和航空燃油的关键组分，目前主要依赖石油炼制获得，该过程不仅消耗大量能源，还会排放温室气体和含硫污染物。与此同时，餐饮行业和食品加工厂每年产生数千吨废弃油脂，这些富含脂肪酸衍生物的废弃物若处理不当将造成环境污染，但其转化利用却面临传统工艺要求高温高压（>250°C，≥2 MPa H₂）且催化剂易被杂质毒化的技术瓶颈。

针对这一挑战，北京大学马丁教授团队联合北京工业大学、华中师范大学等机构在《Nature Communications》发表创新研究成果，提出了一种电化学耦合脱羧与氢化集成策略。该工作通过巧妙设计反应体系，在60°C常压条件下成功将脂肪酸转化为长链烷烃，无需外部氢气输入，对复杂原料展现出卓越耐受性。研究人员通过系统优化电极材料、电解质组成和反应参数，发现多孔还原氧化石墨烯（p-rGO）与石墨电极的组合可实现高达88.9%的烷烃收率。机理研究表明脂肪酸链长通过影响α-碳正离子的脱氢能垒和C_β-C_γ键断裂行为，进而调控产物分布。特别值得关注的是，该技术可直接处理含盐、水分和食物残渣的餐饮废油，在1升反应器中通过太阳能驱动成功制备约40克高纯度烷烃燃料。

关键技术方法包括：通过KOH蚀刻法制备多孔还原氧化石墨烯（p-rGO）电极材料；采用三电极体系（工作电极为碳载催化剂，对电极为石墨棒，参比电极为Ag/AgCl）进行电化学测试；利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析产物分布；通过密度泛函理论（DFT）计算碳正离子反应路径；采用GREET软件进行生命周期评估。实验所用废弃油脂取自华中师范大学食堂潲水桶，包含脂肪酸酯、甘油三酯等复杂组分。

电极材料优化与反应机理

通过系统筛选发现，铂电极因优先催化乙醇氧化导致脱羧效率低下（<10%），而碳材料中多孔还原氧化石墨烯（p-rGO）凭借其高比表面积和丰富的sp²碳缺陷，使烯烃收率提升至90%。DFT计算揭示长链脂肪酸（C₁₃-C₂₂）的α-碳正离子可通过低能垒直接脱氢生成1-烯烃，而短链脂肪酸（C₁₁-C₁₂）则需经OH淬灭途径，这解释了C₁₆脂肪酸获得最高收率的原因。

耦合反应体系构建

采用石墨阴极时，因其与氢原子作用力较弱，抑制了H₂析出反应（HER），使表面吸附氢物种可高效用于烯烃氢化，烷烃收率达82%。当电压从3.5V升至5.5V时，反应速率提升2.2倍，且高电位下羧酸根在电极表面形成的屏蔽层可有效阻隔杂质干扰。

底物适用性与放大实验

对于含48.8%添加物的粗大豆油和10%杂质的妥尔油，烷烃收率均达85%。餐饮废油在10克规模直接转化中获得73-78%收率，产物可通过柱色谱（R_f≈1）快速纯化至95%以上纯度。在1升反应器中，三对电极配合太阳能驱动，单次运行可获得40克烷烃。

环境影响评估

生命周期分析表明，该工艺的化石能源消耗（FED）和温室气体排放（GGE）分别比传统柴油生产低5倍和2倍，若年产10万吨烷烃可节约2192 TJ化石能源，减排11.22万吨二氧化碳当量。

这项研究开创了电化学耦合转化废弃油脂生产高品质燃料的新范式，通过反应路径创新成功破解了传统工艺对高温高压和外部氢源的依赖。其建立的电极设计原则、界面调控策略和系统集成方案，为生物质资源的高值化利用提供了普适性技术框架，对推动碳中和目标下能源化工行业转型具有重要示范意义。