乙炔氢氯化金基配合物催化剂催化行为研究

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氯乙烯单体(VCM),是聚氯乙烯(PVC)制造工艺中的主要化学中间体,PVC具有对光和化学品的高耐受性,在建筑行业以及包装,电气和服装行业中具有广泛而重要的应用,是第二大通用树脂材料。目前世界上被广泛接受的VCM生产路径为:1.乙烯法(乙烯氧氯化);2.电石乙炔法(乙炔氢氯化)。其中乙烯法生产VCM的路径对石油资源的依赖较大,主要被油气资源发达的西方国家所采用。由于我国“富煤、贫油、少气”的能源特点,70%以上的PVC采用电石乙炔法生产。目前在乙炔氢氯化反应的工业化生产中,所使用的催化剂仍以HgCl2作为活性组分,但是汞在反应温度下易升华流失,严重影响了催化剂的使用寿命,同时由于汞的高毒性,其流失对人类的健康和生态环境造成了严重的危害。因此乙炔氢氯化反应中环境友好的、可持续发展的新型无汞催化剂的研发十分关键。多年研究以来,发现替代汞基催化剂最具有工业化潜力的催化剂为金基催化剂,但金基催化剂的活性和稳定性仍需进一步提高,因此本论文针对此问题,开展了以下工作:(1)首先,对催化剂制备过程中的使用溶剂进行筛选,并制备了一系列金基催化剂。根据极性和沸点的变化进行溶剂选择,分别是水、王水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、异丁醇等七种溶剂。以分散溶剂作为变量制备催化剂,并对其进行催化活性测试。反应中的催化剂活性测试结果表明:在180℃、VHCl/VC2H2=1.15和乙炔空速GHSV(C2H2)=1200 h-1的反应条件下,以异丙醇作为分散溶剂制备的Au-isopropanol/AC催化剂,具有最高的催化活性,相比较于同等条件下以水和王水作为溶剂制备的Au-water/AC和Au-aqua regia/AC催化剂,催化效果约分别提升700%和483%。对一系列催化剂进行表征分析,结果表明:用弱极性和挥发性的醇取代高极性水和王水后,改变了催化剂中Au纳米颗粒(NPs)结晶的形成过程。形成的孪晶或多晶颗粒中的各种边缘或缺陷为反应物提供了新的活性位点。溶剂的改变可以增强载体和Au物质之间的相互作用,高度分散和锚定活性物质并抑制其在反应过程中的团聚和损失。此外,相互作用还增强了催化剂对反应物的吸附能力,从而增强了其催化性能。(2)在前期工作基础上,结合Au离子具有相似的s,p,d外围轨道,与杂原子配体提供的孤对电子容易键合的特点,以选定的异丙醇为分散溶剂,以多个杂原子(N、P、O)同时存在的化合物羟基乙叉二磷酸(HEDP)和氨基三亚甲基膦酸(ATMP)为配体(L)与Au配位制备的Au配合物为前驱体制备了不同配合比例的Au催化剂,筛选出最佳的Au/L比例约为1:1,活性测试结果表明:在180℃、VHCl/VC2H2=1.15和1200 h-1的乙炔空速条件下,催化剂的最高乙炔转化率可以达到97.4%,氯乙烯选择性高于99%。表征分析结果表明:Au和杂原子之间的配位,特别是N、P和O的搭配存在,促进了电子从杂原子向Aun+的转移,并增加了活性中心周围电子云的密度,抑制其还原成Au0物种,甚至可将低价态的Au0物种再氧化成活性Aun+物种,因此稳定了活性Aun+物种。此外,配体和Au物种之间的相互作用还可以抑制活性物质的团聚,也会削弱催化剂对C2H2的吸附能力,增强其对HCl的吸附能力,有助于构建有利于反应的微环境,抑制碳沉积的形成。DFT计算表明,过渡态和中间体的自由能低于Au/AC催化剂的自由能,过渡态的能量序列也与实验结果一致。(3)根据前期的工作,由于有机配体中N、P或O元素的存在,使得催化剂的活性和稳定性明显提高,因此,对杂原子单独存在的配体所引发的效果进行了研究。分别选取单独含有N、P和O杂原子的三类配体进行研究,依据杂原子周围取代基种类和数量变化对配体进行选取,共制备3类17种催化剂。经过催化剂的性能测试发现:在180℃、VHCl/VC2H2=1.15和GHSV(C2H2)=1200 h-1反应条件下,Au-N4/AC、Au-P1/AC和Au-O1/AC催化剂分别具有最优的催化性能,其乙炔转化率分别可达91.3%、94.5%和95.5%,其氯乙烯选择性均高于99%。对催化剂的表征分析结果表明:配位杂原子的引入提高了活性中心Aun+周围的电子云密度,抑制Aun+物种向Au0物种的还原,从而提高了Aun+的稳定性。此外,Au与配体中杂原子之间的相互作用可提高催化剂对反应物氯化氢的吸附能力,降低其对反应物乙炔的吸附能力,从而降低了在催化剂表面形成低聚物的可能性,抑制了碳沉积的产生,改善了催化活性和稳定性。
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