近日，我校化工学院张新胜教授团队、化学与分子工程学院练成教授团队与复旦大学化学系龚鸣副教授团队合作，在丙烯腈电解合成己二腈研究方面取得重要突破，相关成果以为题“Dynamic multimodal cation-carbon interaction for efficient adiponitrile electrosynthesis”，发表于国际知名期刊Science。
尼龙66因其高强度、耐热性及耐磨性等优异性能，是国民经济和国防建设的重要材料。然而，作为尼龙66的关键中间体，己二腈的生产技术长期被国外垄断。丙烯腈电解二聚是合成己二腈的重要方法之一。然而，该反应过程中同时存在析氢、生成丙腈和多聚物等多个竞争反应。因此，提高己二腈的选择性、电流密度并降低电耗始终是该技术的难点。传统路线常采用铅、镉等重金属作为电极，虽然其电催化活性较高，但存在毒性大、金属浸出污染和能量效率偏低等问题。碳电极无毒、成本低、导电性好且结构可调，但其界面处的水分子容易引发严重的析氢反应，导致己二腈选择性不足。已有研究主要关注电极材料本征活性提升与重金属电极替代，对电极－电解液界面水分子行为及阳离子动态调控机制仍缺乏深入认识。尤其对于碳电极体系，如何在不牺牲电流密度和能效的前提下构建有利于目标反应的界面微环境，仍有待厘清。
针对这一问题，研究团队提出“动态多模式阳离子－碳相互作用”新策略。通过设计苄基三己基铵阳离子，利用静电、π—π及C—H•••π等非共价作用与碳电极结合，压缩电极附近双电层，排开部分界面水分子，形成有利于目标反应的“贫水微环境”，促使丙烯腈在电极附近富集，同时抑制析氢和丙腈等副反应。实验结果表明，最优体系在碳电极上的己二腈选择性超过80%，法拉第效率达到72.9%，并表现出较高反应速率和较低过电位。值得注意的是，采用脉冲策略可使阳离子周期性吸附、脱附，动态更新反应界面，缓解油状副产物积累造成的性能衰减，表明界面阳离子行为具有动态可调性。
图片说明：脉冲电流调控动态阳离子–碳电极相互作用策略下丙烯腈电还原制己二腈的放大实验结果
为阐明其微观机制，研究团队结合原位光谱、分子动力学模拟和电解槽测试开展研究，揭示了界面动态调控机制。该技术已放大至159平方厘米电解槽验证，为绿色、高效、无重金属己二腈电合成提供了新路径。该研究从电极－电解液界面尺度深化了对碳电极上己二腈电合成选择性调控机制的认识，将传统“改造电极材料”的思路拓展为“设计电极－电解液界面”，不仅为以碳电极替代重金属电极提供了理论支撑，也为推动己二腈生产向绿色、低碳、安全方向升级注入了新动能。
该论文通讯作者为复旦大学化学系龚鸣副教授、美国加州大学圣地亚哥分校化学系熊伟教授、华东理工大学化学与分子工程学院练成教授以及华东理工大学化工学院张新胜教授，复旦大学化学系杜威博士、美国加州大学圣地亚哥分校化学系博士后Chun-Chieh Yu、华东理工大学徐基鹏博士以及王儒盛硕士为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5175