近日，中國科學院大連化學物理研究所生物能源化學品研究組研究員王峰、副研究員賈秀全團隊在微液滴化學研究方面取得新進展，利用微液滴的起電-放電現象，開發水相電化學選擇性脫氯策略，將二氯乙烷轉化為重要的聚合物單體氯乙烯。
近年來，微液滴驅動的氧化還原反應的研究快速發展，但科研人員對反應過程中的電子轉移機制仍認識不足。DNL0603組前期報道了液-液和固-液微界面的構建方法（J. Am. Chem. Soc.，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024），提出了微液滴界面電子轉移過程的調控方法（J. Am. Chem. Soc.，2024），逐步建立了微液滴帶電界面與氧化還原性質之間的關系（JACS Au，2024）。
基于前期對帶電微液滴氧化還原反應的研究，本工作中，團隊在封閉環境中通過超聲驅動水在微液滴、水汽，以及體相之間快速轉變，制備出具有交流電壓的人造云，并以此實現了二氯乙烷的電化學選擇性脫氯反應。研究人員通過云水中的電壓和電流測量證實，尺寸較大的微液滴帶正電，水汽中尺寸較小的亞微米液滴帶負電，并且兩種液滴具有不同的擴散行為和空間分布。研究發現，通過封閉環境限制亞微米液滴的擴散空間，可以增強液滴之間的起電和放電作用。電子順磁共振譜（EPR）表征進一步確認了電子轉移參與了液滴的起電和放電過程，導致體相表面富集氫自由基，而微液滴富集羥基自由基。進一步，團隊通過EPR、液相色譜-高分辨率質譜、氣相色譜等表征方法證明，水中的二氯乙烷首先在體相表面附近發生還原脫氯，生成氯乙基自由基中間體，隨后，該中間體隨著霧化過程進入微液滴，并在其中加速氧化脫氫，生成氯乙烯。由于水在微液滴、水汽以及體相之間快速轉變，避免了反應物和中間體的擴散限制，可顯著提高超聲霧化作用下氯乙烯的生成速率和選擇性，相比超聲空化作用，超聲霧化作用的速率提升兩個數量級，氯乙烯在C2氣體產物中的選擇性最高可達80%左右。利用上述工作提出的借助微液滴體系，可有望實現對有機氯廢水的升級利用。
相關研究成果以“Microdroplet-mediated multiphase cycling in a cloud of water drives chemoselective electrolysis”為題，于近日發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作共同第一作者是大連化物所博士研究生陳徐錁和斯坦福大學博士后夏宇。相關工作得到國家自然科學基金等項目的資助。
