氯乙烯生产新催化体系及其构效关系分析

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本论文以更加环境友好的催化工艺的开发为出发点,针对目前生产氯乙烯的方法存在的问题和缺陷,开发了两种以氮化碳材料作为催化剂的生产氯乙烯单体的催化工艺。研究了活性炭负载的氮化碳材料在合成过程中的结构变化规律,以及这种结构的变化分别对其在二氯乙烷催化裂解反应和二氯乙烷、乙炔直接转化制备氯乙烯反应中催化活性的影响。结合多种表征技术及理论计算手段分析了活性炭负载的氮化碳材料分别在这两种制备氯乙烯反应中的构效关系。另外,同样从绿色可持续的角度出发,针对目前最有可能替代乙炔氢氯化工汞基催化剂的Au/C催化剂的合成方法进行了改进。开发出了一种更加环境友好的Au/C催化剂的合成方法。并且结合先进的表征手段对催化剂中的活性位点进行了分析。本论文研究的内容主要包括以下三部分。1:活性炭负载的结构可控的氮化碳用于二氯乙烷催化裂解制氯乙烯反应的研究在该部分工作中,通过调节催化剂的合成温度合成出了具有不同聚合程度的活性炭负载氮化碳催化剂并且考察了其在二氯乙烷催化裂解反应中的催化效率。结果表明,较低的合成温度有利于合成出具有较多缺陷的氮化碳材料,而较高的合成温度有利于合成出具有较高聚合程度的氮化碳材料,通过考察其对二氯乙烷催化裂解反应的活性,发现较多的缺陷位对这个反应是有利的,并且结合理论计算从材料电子分布层面解释了这种现象产生的原因。该工作为选择性合成高活性的二氯乙烷催化裂解催化剂提供了策略。2:活性炭负载的氮化碳材料在乙炔及二氯乙烷直接催化转化生产氯乙烯反应中的性能及构效关系研究活性炭负载的氮化碳材料由于其可以同时提供Lewis酸活性位和Lewis碱活性位可以作为乙炔和二氯乙烷直接转化制备氯乙烯反应的催化剂。发现提高氮化碳材料的合成温度可以获得具有更高的催化活性的催化剂。通过乙炔程序升温脱附,X射线光电子能谱,高分辨率透射电子显微镜,电子能量损失光谱等技术对催化剂进行了表征结合理论计算,证明催化剂的活性提高可归因于较高聚合程度的氮化碳材料的形成。这不仅有利于形成更多的吡啶N而且较高聚合程度的氮化碳材料具有更低能量的最低未占分子轨道(LUMO),由于在这个催化体系中乙炔氢氯化反应为决速步,所以较低能量的LUMO有利于乙炔的吸附活化所以获得了更好的催化活性。这个工作为选择性合成用于乙炔和二氯乙烷直接转化制备氯乙烯反应高活性碳基催化剂提供了策略。3:一种用于乙炔氢氯化反应的高活性单位点Au/C催化剂的温和合成方法研究单位点分散的Au/C催化剂是用于乙炔氢氯化反应的一种高效催化剂,但是传统合成方法通常需要强酸性的溶剂以稳定高价态的金物种。在这个工作中,报道了一种简单有效的方法,使用低沸点的低极性溶剂(如丙酮)合成原子分散的Au/C催化剂。当测试乙炔氢氯化反应时,这些新催化剂在乙炔氢氯化反应的转化率和稳定性方面表现出色,同时仍保持对氯乙烯单体的高选择性。使用X射线吸收光谱,X射线衍射和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜的组合,显示这些催化剂由原子分散的阳离子Au物种组成。这个工作除了促进关于单位点分散Au/C催化剂的进一步研究之外,还提供了生产用于生产VCM的高活性Au/C催化剂的简便策略。
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