CN105148989B - 一种多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
一种多孔固体材料负载型离子液体‑金催化剂及其制备和应用,所述催化剂包括多孔固体材料载体以及负载在载体表面上的离子液体和金属离子化合物的复合物,所述的金属离子化合物为金化合物或者金化合物和第三种金属氯化物的组合,所述的金化合物选自金的氯化物、氯金酸、乙二胺氯化金、氯(三苯基亚磷酸)金或者氯(三乙基膦)金中的一种,所述的第三种金属选自Cu、In、Bi、Ba、Sr、Fe、Mn、Zn、Co、Cs、K、Ca、Sn、Ni中的一种;所述的离子液体选自咪唑类离子液体。本发明的多孔固体材料负载型离子液体‑金催化剂在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应气氛中化学和热稳定性好、热传导效率高,具有催化活性和选择性高、稳定性好、成本低等特点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及多孔固体材料负载型离子液体-金(IL-Au)催化剂及其制备方法和在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应中的应用。
(二)背景技术
氯乙烯是用途广泛的通用塑料聚氯乙烯的单体。工业合成氯乙烯用氯化汞催化剂存在着氯化汞易挥发导致催化剂失活缺陷,且氯化汞的高毒性和生物难降解性能等导致在该催化剂制备、使用和回收废催化剂中汞的过程中,造成严重的环境污染和危害人体健康。因此,发明乙炔氢氯化合成氯乙烯用的高性能非氯化汞催化剂十分必要。
早期公开的非氯化汞催化剂通常由活性组分如钯、铜等溶解在盐酸等无机酸或者有机胺和醇等溶剂中(专利US Patent 1934324、US Patent 3113158、US Patent 1812542、US Patent 4912271、JP-OS 77/126、CN 101716528A、CN 101879464A、CN 1037501和CN101514149),气体乙炔和氯化氢溶解在催化剂液体中发生乙炔氢氯化反应生成氯乙烯,属于气液催化反应体系。显然,气液催化反应体系存在着设备腐蚀严重、大量使用溶剂成本高和易挥发、催化活性组分易流失等不足,限制了其大规模工业应用的可能。非均相的固体催化剂有贵金属和非贵金属两类。非贵金属固体催化剂活性组分主要包括铋、锡、铜、磷化钨等,它们具有价格低廉的优势;但是,催化活性低、催化稳定性差等(CN 103949275A、CN103272619A、CN 102151580A)。贵金属固体催化剂金、钯、铂、钌、铱、铑等具有高的催化活性[Journal of Catalysis,1991,128(2):366-377;Journal of Molecular Catalysis AChemical,2004,212(1–2):345–352;2007,275(1-2):101–108;Theor.Exp.Chem.,2010,46(1):32-38;RSC Advance,2013(3):21062-21068]。其中,金催化剂具有最高的催化活性,比氯化汞催化剂活性高一个数量级。因此,金被认为是最有望替代氯化汞应用于乙炔氢氯化合成氯乙烯的催化剂[J.Chem.Soc.Chem.Commun.,1988(6):71-72;Applied catalysis,43(1988)33-39]。然而,强还原性的乙炔易将高标准电极电势的Au3+(1.50eV)(金催化剂的活性中心被普遍认为是AuCl3)还原成没有活性的Au0;另外,由于反应放热的特性,AuCl3也极易发生热分解转化为Au0,引起催化剂失去活性。因此,金催化活性的不稳定性影响了其在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应中的实际应用。载体改性、添加助剂[J.Catal.2008,257,190–198;J.Ind.Eng.Chem.2012,18,49–54;Green Chem.,2013,15,829–836;Catal Lett,2010,134:102–109]等可以改善其催化稳定性,但是金催化剂的使用寿命一直不理想,低负载量金催化剂尤其如此[ACS Catal.2014,4,3112-3116;Catal Lett,2010,134:102–109]。专利CN 201010272612.8报道加入助剂制得的低金负载量催化剂(0.05-0.5wt%)具有良好的活性。但是,这种金催化剂也存在诱导期长、初始活性不理想、稳定性欠佳等不足。因此,发明提高负载金固体催化剂的活性及其稳定的催化剂制备技术,对于突破制约其实现工业应用的瓶颈是必要的。
与传统有机溶剂相比,离子液体具有零蒸汽压不挥发、呈液态的温度范围宽、化学和热稳定性好、溶解性能佳等。专利(CN 101716528A)公开报道了咪唑类离子液体负载金、铂、钯、锡、汞或铑等催化剂及其在乙炔氢氯化制备氯乙烯反应中具有良好的催化活性和稳定性。该催化剂消除了前述的活性组分溶解于盐酸或有机胺和醇等溶剂中的催化剂,存在的设备腐蚀严重、溶剂挥发损失等问题。但是,离子液体负载金等催化剂应用于乙炔氢氯化合成氯乙烯反应还是属于气液催化体系,还存在离子液体的高黏度导致反应物和产物分子传递困难、搅拌或气体搅动导致催化剂活性组分流失等不足;且离子液体负载金等催化剂不能用于目前工业生产氯乙烯广泛采用的固定床或流化床等工艺。
基于上述背景,本发明提出了一种将离子液体与催化剂活性组分共同负载在多孔材料表面(包括孔道内表面),制备出固体多孔材料负载型离子液体-金(IL-Au)催化剂。该催化剂既保持了离子液体负载金催化剂的活性高、稳定好的优点;同时,又克服了离子液体负载金催化剂是液相催化剂的不足,可以应用于固定床或流化床等反应器。此外,本发明还解决了汞催化剂污染大、非贵金属催化剂活性差、高负载量金催化剂价格昂贵及金催化剂稳定性差等问题。
因此,多孔材料负载离子液体-金催化剂是一种催化活性高、氯乙烯选择性好、催化剂稳定性好使用寿命长、金负载量低的新一代固体负载型催化剂,适用于大规模工业生产应用。
(三)发明内容
本发明的目的在于:克服现有应用于乙炔氢氯化合成氯乙烯的汞催化剂易升华失活和严重污染环境、负载型非贵金属催化剂活性低、负载金等贵金属催化剂稳定性差和成本高、液体催化剂体系对反应设备腐蚀严重、离子液体负载金等催化剂粘度高且搅拌易导致活性组分流失等缺点,提供一种多孔固体材料负载型离子液体-金(IL-Au)催化剂及其制备方法和在乙炔氢氯化合成氯乙烯中的应用,该催化剂乙炔转化率和氯乙烯选择性高、稳定性好。
下面对本发明采用的技术方案做具体说明。
一种多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂,包括多孔固体材料载体以及负载在载体表面上的离子液体和金属离子化合物的复合物,所述的金属离子化合物为金化合物或者金化合物和第三种金属氯化物的组合,所述的金化合物选自金的氯化物、氯金酸、乙二胺氯化金、氯(三苯基亚磷酸)金或者氯(三乙基膦)金中的一种,所述的第三种金属选自Cu、In、Bi、Ba、Sr、Fe、Mn、Zn、Co、Cs、K、Ca、Sn、Ni中的一种;所述的离子液体选自咪唑类离子液体,其阴离子为氯离子、溴离子、六氟磷酸根、四氟磷酸根、三氟甲磺酰亚胺或四氟硼酸根;所述催化剂中,多孔固体材料:金:第三种金属:离子液体四者之间的质量比为100:0.05~0.25:0~2:3~30。
进一步,所述的多孔固体材料载体选自具有较高比表面积的活性炭、含氮炭材料、碳纳米管、石墨烯、氧化硅、氧化钛、氧化铝中的一种,优选的载体是活性炭。
进一步,所述的金化合物优选氯金酸。
进一步,所述的第三种金属优选Cu、In、Zn、Ba、Cs、Ni、K或Co中的一种。
进一步,所述离子液体优选氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、或氯化1-己基-3-甲基咪唑。
本发明还提供了一种制备所述多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,所述方法采用共浸渍方法,所述的共浸渍方法包括:
(1)按比例将金化合物溶解于离子液体中,充分分散得到离子液体-金(IL-Au)复合物;
(2)将离子液体-金(IL-Au)复合物或者离子液体-金(IL-Au)复合物与第三种金属氯化物一起溶于酸溶液中,得到金属氯化物混合溶液I;
(3)通过室温浸渍、升温干燥得到多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
进一步,所述的酸溶液为浓盐酸溶液(37wt%)。
进一步,所述的浸渍优选采用等体积浸渍。
进一步,所述的室温浸渍、升温干燥的具体操作为:将金属氯化物混合溶液I滴加到载体上并翻动搅拌,湿润的载体在室温下静置1-3小时,接着在90-150℃的温度下干燥12-24小时,即制得多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
本发明还提供了另一种制备所述多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,所述方法采用分步浸渍方法,所述的分步浸渍方法包括:
(a)按比例将载体浸渍到离子液体中,在载体表面形成一层离子液体薄膜;
(b)然后再按比例将金化合物或者金化合物与第三种金属氯化物一起溶于酸溶液中,得到金属氯化物混合溶液II;
(c)通过室温浸渍、升温干燥得到多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
进一步,步骤(a)的具体操作为:首先取一定用量的离子液体,用酸溶液溶解,再将载体浸渍其中,在室温条件下充分浸渍后干燥除去水分。
进一步,所述的酸溶液为浓盐酸溶液(37wt%)。
进一步,所述的浸渍优选采用等体积浸渍。
进一步,步骤(c)的具体操作为:将金属氯化物混合溶液II滴加到步骤(a)处理后的载体上并翻动搅拌,湿润的载体在室温下静置1-3小时,接着在90-150℃的温度下干燥12-24小时,即制得多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
本发明提供了所述多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应中的应用。在应用中,先用HCl气体对催化剂进行活化。
进一步,乙炔氢氯化合成氯乙烯反应的条件是:温度40-300℃,压力为0.01-3MPa,乙炔和氯化氢的摩尔比为1:1-3,乙炔的体积空速为15-1000h-1。
更进一步,反应温度100-250℃,压力0.05-0.5MPa,乙炔和氯化氢的摩尔比为1:1-1.5。
与现有技术相比,本发明的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应气氛中化学和热稳定性好、热传导效率高,具有催化活性和选择性高、稳定性好、成本低等特点。
(四)附图说明
图1是催化剂No.10连续运行600小时的稳定性评价曲线。
(五)具体实施方式
下面用具体实例来说明本发明。有必要指出的是,实施例只用于对本发明进行的进一步说明,但不能理解为对本发明保护范围的限制,本发明不以任何方式局限于此。该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1-14
采用等体积浸渍法,按照表1所列的负载量及其配比,将计量的氯金酸和离子液体或和第三种金属氯化物一起溶于浓盐酸溶液中,升温搅拌待固体全部溶解后,将其滴加到比表面积为1360m2/g的活性炭上,并不断搅拌,直至溶液刚好湿润活性炭后室温静置12小时,接着样品在110℃的温度下干燥12小时,即制得活性炭负载的离子液体-金(IL-Au)催化剂No.3-16。
对比实施例1
按照表1所列的负载量及其配比,将计量的氯金酸溶于浓盐酸溶液中,待固体全部溶解后,将其滴加到活性炭上,并不断搅拌,直至溶液刚好润湿活性炭后室温静置12小时,接着样品在110℃的温度下干燥12小时,即制得活性炭负载氯化金催化剂No.1。
对比实施例2
按照表1所列的负载量及其配比,将计量的离子液体溶于浓盐酸溶液中,升温搅拌后将其滴加到经硝酸预处理过的活性炭上,并不断搅拌,直至溶液刚好润湿活性炭后室温静置12小时,接着样品在110℃的温度下干燥12小时,即制得活性炭负载离子液体催化剂No.2。
对比实施例3
根据CN 101716528 A公开的方法实施,1g的三氯化金溶于28.3492g的氯化1-丁基-3-甲基咪唑([Bmim]Cl)离子液体催化剂(No.17),应用反应条件:摩尔比C2H2/HCl=1/1.7,空速11ml/ml.h,温度170℃,压力为常压。
制得的催化剂按照下面方法进行催化剂活性、选择性与稳定性评价:
依次取实施例中制得的0.8g催化剂与3g石英砂混合,置于小型石英管反应器中,将石英管放置于可控温的加热炉中,以10℃/min的升温速率从室温程序升温到180℃,升温过程中通入氮气保护,待温度恒定后通入氯化氢气体活化0.5小时,然后通入乙炔气体。乙炔C2H2(纯度≥99%)的流速为5mL/min,HCl(纯度≥99.99%)的流速为6mL/min,乙炔的体积空速为185h-1,反应压力为常压。反应器出口接气相色谱在线检测,催化剂的评价结果见下表1所示。
取实施例8制得的催化剂No.10,按照上述步骤进行600h的稳定性试验,反应条件:T=180℃,P=0.1MPa,VHCl/VC2H2=1.2,GHSV=180h-1,结果如图1所示。
表1 活性炭负载离子液体-金(IL-Au)催化剂的乙炔氢氯化反应评价结果
Claims (10)
1.一种多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂,由多孔固体材料载体以及负载在载体表面上的离子液体和金属离子化合物的复合物组成,所述的金属离子化合物为金化合物和第三种金属氯化物的组合,所述的金化合物选自金的氯化物、氯金酸、乙二胺氯化金、氯(三苯基亚磷酸)金或者氯(三乙基膦)金中的一种,所述的第三种金属选自Ni;所述的离子液体选自咪唑类离子液体,其阴离子为氯离子、溴离子、六氟磷酸根、四氟磷酸根、三氟甲磺酰亚胺或四氟硼酸根;所述催化剂中,多孔固体材料:金:第三种金属:离子液体四者之间的质量比为100:0.1:0.2:6。
2.如权利要求1所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂,其特征在于:所述的多孔固体材料载体选自活性炭、含氮炭材料、碳纳米管、石墨烯、氧化硅、氧化钛、氧化铝中的一种。
3.如权利要求2所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂,其特征在于:所述的载体是活性炭;所述的金化合物为氯金酸;所述的第三种金属为Ni;所述离子液体为氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或氯化1-己基-3-甲基咪唑。
4.一种制备如权利要求1所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,其特征在于:所述方法采用共浸渍方法或者分步浸渍方法,
所述的共浸渍方法为:
(1)按比例将金化合物溶解于离子液体中,充分分散得到离子液体-金复合物;
(2)将离子液体-金复合物与第三种金属氯化物一起溶于酸溶液中,得到金属氯化物混合溶液I;
(3)通过室温浸渍、升温干燥得到多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂;
所述的分步浸渍方法为:
(a)按比例将载体浸渍到离子液体中,在载体表面形成一层离子液体薄膜;
(b)然后再按比例将金化合物与第三种金属氯化物一起溶于酸溶液中,得到金属氯化物混合溶液II;
(c)通过室温浸渍、升温干燥得到多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
5.如权利要求4所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,其特征在于:所述的酸溶液为浓盐酸溶液。
6.如权利要求4所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,其特征在于:所述的室温浸渍采用等体积浸渍。
7.如权利要求4~6之一所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂的方法,其特征在于:所述的室温浸渍、升温干燥的具体操作为:将金属氯化物混合溶液I滴加到载体上或者将金属氯化物混合溶液II滴加到经步骤(a)处理后的载体上,并翻动搅拌,湿润的载体在室温下静置1-3小时,接着在90-150℃的温度下干燥12-24小时,即制得多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂。
8.如权利要求1所述的多孔固体材料负载型离子液体-金催化剂在乙炔氢氯化合成氯乙烯反应中的应用。
9.如权利要求8所述的应用,其特征在于:乙炔氢氯化合成氯乙烯反应的条件是:温度40-300℃,压力为0.01-3MPa,乙炔和氯化氢的摩尔比为1:1-3,乙炔的体积空速为15-1000h-1。
10.如权利要求9所述的应用,其特征在于:反应温度100-250℃,压力0.05-0.5MPa,乙炔和氯化氢的摩尔比为1:1-1.5。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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