催化学报 ›› 2023, Vol. 46: 137-147.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64204-9

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性能优异的Pd-[DBU][Cl]/AC无汞催化剂在乙炔氢氯化中的应用

董兴宗a,b, 刘广业a, 陈兆安a, 张权a,b, 徐云鹏a,*(), 刘中民a,b   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 大连洁净能源国家实验室, 低碳催化技术国家工程研究中心, 辽宁大连 116023
    b中国科学院大学, 化学工程学院, 北京 100049
  • 收稿日期:2022-10-14 接受日期:2022-12-05 出版日期:2023-03-18 发布日期:2023-02-21
  • 通讯作者: *电子邮箱: xuyunpeng@dicp.ac.cn (徐云鹏)
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2016YFB0301603); 辽宁振兴人才计划(XLYC1905017)

Enhanced performance of Pd-[DBU][Cl]/AC mercury-free catalysts in acetylene hydrochlorination

Xingzong Donga,b, Guangye Liua, Zhaoan Chena, Quan Zhanga,b, Yunpeng Xua,*(), Zhongmin Liua,b   

  1. aNational Engineering Research Center of Lower-Carbon Catalysis Technology, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bSchool of Chemical Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2022-10-14 Accepted:2022-12-05 Online:2023-03-18 Published:2023-02-21
  • Contact: *E-mail: xuyunpeng@dicp.ac.cn (Y. Xu)
  • Supported by:
    Key Technologies Research and Development Program(2016YFB0301603);The Liaoning Revitalization Talents Program(XLYC1905017)

摘要:

氯乙烯单体(VCM)作为重要的有机化工原料, 主要用于聚氯乙烯(PVC)生产, 在煤炭资源丰富的国家和地区氯乙烯单体的制备很大程度上依赖乙炔氢氯化反应.  目前工业乙炔氢氯化过程仍然使用传统的活性炭负载氯化汞(HgCl2/AC)作为反应的催化剂, 但该催化剂的易挥发性和高毒性对人类健康和生态环境造成了极大的危害, 因此探索和发展性能优异且环境友好的无汞催化剂尤为重要.  Pd基催化剂展现出较好的乙炔氢氯化活性, 但较差的化学稳定性限制了其工业应用.  因此, 通过调节Pd(II)活性中心的电子结构、配位状态和微环境去提升Pd基催化剂的化学稳定性是当前的研究热点和挑战.  相关的文献结果表明, Pd基催化剂的快速失活主要归因于Pd(II)被乙炔分子还原成Pd(0), 导致催化剂表面大量积碳的形成以及活性Pd物种流失, 根本原因是催化剂活性位点对乙炔的吸附较强而对氯化氢的吸附较弱, 这种不匹配的吸附会造成吸附态的乙炔无法与氯化氢发生有效碰撞生成产物氯乙烯, 因此如何促进氯化氢的高效吸附和活化是阻止催化剂失活的关键因素.  基于我们前期的工作(Mol. Catal., 2022, 525, 112366)和相关文献调研发现, 1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯氯盐([DBU][Cl])对氯化氢分子有较强的吸附和活化能力, 而且[DBU][Cl]作为配体能与Pd(II)金属中心配位构建一个稳定的活性位点.  

本文制备了一系列Pd-[DBU][Cl]/AC催化剂去提升Pd基催化剂在乙炔氢氯化过程中的化学稳定性, 催化剂的乙炔氢氯化活性和化学稳定性在固定床微反应器上评价.  采用N2物理吸附、X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、程序升温脱附(TPD)和热重分析(TGA)等表征方法研究了Pd基催化剂的失活原因以及Pd-[DBU][Cl]/AC催化剂稳定性增强的原因.  通过DFT理论模拟分析了乙炔、氯化氢和C2H3Cl在Pd活性位点上的吸附行为并提出了乙炔氢氯化反应在PdCl2-[DBU][Cl]位点上的催化循环机理.  Pd/AC和Pd-20[DBU][Cl]/AC的初始乙炔转化率分别为88.2%和99.8%, 评价24 h后的转化率分别为0.7%和96.7%, 而事实上Pd/AC在反应1 h后已经基本失活, 实验结果表明, [DBU][Cl]的存在能极大地抑制Pd基催化剂的失活, 提高其化学稳定性.  表征结果表明, 反应过程中部分的Pd(II)被还原成Pd(0), Pd活性物种的流失以及大量积碳的生成是Pd/AC催化剂迅速失活的原因.  反应前后的XPS的表征结果表明, [DBU][Cl]与Pd(II)的相互作用能降低, Pd(II)被还原成Pd(0);  ICP-OES数据证实[DBU][Cl]的存在能减少Pd活性物种的损失量;  N2物理吸附和TGA的实验结果也表明[DBU][Cl]的引入可以抑制催化剂表面积碳的产生.  TPD实验结果表明, PdCl2-[DBU][Cl]相比于PdCl2拥有更大的氯化氢吸附量以及更小的C2H2吸附量;  DFT理论计算证实PdCl2-[DBU][Cl]相比于PdCl2存在更大的氯化氢吸附能以及更小的乙炔和C2H3Cl吸附能.  寿命实验结果表明, Pd-20[DBU][Cl]/AC催化剂展现出较好的活性和良好的稳定性, 在T = 180 °C, GHSV (C2H2) = 360 h‒1V(HCl)/V(C2H2) = 1.2的条件下, 乙炔的初始转化率达到99.8%且在反应60 h内的失活速率仅为0.12%/h.

关键词: 乙炔氢氯化, 无汞催化剂, Pd复合物催化剂, 提升稳定性, 吸附能

Abstract:

Compared with the rapid deactivation of the Pd/AC catalyst, an eco-friendly Pd-[DBU][Cl]/AC ([DBU][Cl], 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene hydrochloride) catalyst with enhanced stability was synthesized and applied in the hydrochlorination of acetylene. The Pd-20[DBU][Cl]/AC catalyst exhibits 96.7% acetylene conversion and 98.9% selectivity of vinyl chloride within the 24 h evaluation under the conditions of T = 180 °C, GHSV(C2H2) = 360 h-1 and V(HCl)/V(C2H2) = 1.2. The enhanced stability of the Pd-[DBU][Cl]/AC catalyst is attributed to the prevention of the reduction of Pd(II) to Pd(0), the inhibition of the formation of coke deposition on the catalyst surface, and the reduction of the loss of Pd species during the reaction. TPD characterization and DFT theoretical simulations confirmed that the PdCl2-[DBU][Cl] complex has stronger adsorption of HCl and weaker adsorption of C2H2 and C2H3Cl compared to PdCl2. Furthermore, the catalytic mechanism of acetylene hydrochlorination over the PdCl2 and PdCl2-[DBU][Cl] site was put forward based on theoretical simulations. The good activity and stability of Pd-20[DBU][Cl]/AC in the 60 h lifetime test indicates that it is likely to be a promising alternative to HgCl2 catalysts.

Key words: Acetylene hydrochlorination, Mercury-free catalyst, Pd complex catalyst, Enhanced stabilityAdsorption energy