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尿素改性新疆煤基炭负载铜催化剂的乙炔氢氯化性能

杨海龙1,王 璐1,2,3,闫海军1,司建鑫1,武荣兰1,李小飞3,王吉德1,2,关清卿1,孙 辉1,梁长海4

(1.新疆大学 化工学院 石油天然气精细化工教育部和新疆维吾尔自治区重点实验室, 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830017;2.新疆大学 碳基能源资源化学与利用国家重点实验室, 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830017;3.新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院,新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011;4.大连理工大学 精细化工国家重点实验室, 辽宁 大连 116086)

摘 要:研发环保、高效、稳定、低成本的无汞催化剂是我国基于煤化工路线的乙炔氢氯化法生产聚氯乙烯(PVC)的关键。针对铜基催化剂在乙炔氢氯化反应中活性低、稳定性差的问题,利用尿素小分子改性策略制备了一系列以新疆煤基炭负载的铜基催化剂(Cu/Urea-CAC),探究铜物种和尿素的加入量对铜基催化剂乙炔氢氯化催化性能的影响。结果表明,当铜负载量为20%、尿素引入量为15%,反应温度为160 ℃,乙炔空速为120 h-1,氯化氢和乙炔原料的体积比为1.25的反应条件下,20Cu/15Urea-CAC催化剂的乙炔转化率可达92.6%,选择性始终大于98.2%,具有良好的催化性能。利用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、N2物理吸脱附、等离子体发射光谱(ICP-OES)和热重(TG)技术对催化剂进行表征分析,认为适量尿素改性可抑制催化反应过程中Cu活性物种的还原、流失及催化剂表面积碳的形成,进而提升了新疆煤基炭负载铜催化剂的乙炔氢氯化催化性能。研究结果进一步拓展了新疆煤基炭的应用,也为乙炔氢氯化无汞新催化体系的设计合成及其催化作用提供了数据支撑。

关键词:煤基炭;乙炔氢氯化;铜催化;尿素

0 引 言

聚氯乙烯(PVC)作为世界五大通用工程树脂材料之一,广泛应用于石油化工、纺织、建材、农业、轻工等各领域[1-2]。由于我国富煤、贫油、少气的能源结构,PVC主要采用基于煤化工路线(即煤-乙炔-氯乙烯(VCM)-PVC)的乙炔氢氯化法生产,且其产量已经超过全国PVC总产量的80%[3-4]。目前,汞/活性炭催化剂是乙炔氢氯化法合成氯乙烯的关键技术,但是,工业中使用的汞催化剂有剧毒,且易升华流失,对人类健康以及生态环境威胁巨大[5-6]。随《关于汞的水俣公约》的签订实施及汞资源匮乏日益严重,研发环保、高效、稳定、低成本的无汞催化剂已是我国基于煤化工路线的乙炔氢氯化法生产PVC的关键[7]

目前,均相催化剂和贵金属催化剂是乙炔氢氯化法生产PVC无汞催化剂的研究热点,尤其是Au、Pd、Pt、Ir、Ru等贵金属催化剂,但这些性能优异的催化剂制备工艺存在以下问题:① 均相催化剂不易回收,环境污染大、成本较高;② 贵金属催化剂制备成本高、途径冗长、稳定性不佳等,限制催化剂的工业应用[8-12]。因此,强化高效、低成本的PVC生产无汞催化剂的工业应用属性,提高原料来源的经济性和可持续性,将是未来PVC行业面临的重要挑战[13]。与贵金属催化剂相比,非贵金属储量丰富、成本低,在PVC行业催化剂的发展中有一定潜力和优势,尤其是Cu催化剂具有适中的标准电极电势和良好的初始活性,在乙炔氢氯化反应无汞催化剂研究中备受关注[14-15]。张绪立等[16]以活性炭为载体,盐酸为溶剂,CuCl2为溶质,制备了负载型Cu/C催化剂,在180 ℃,气体空速(GHSV)180 h-1,V(HCl)∶V(C2H2) =1.1条件下,乙炔转化率达68%,氯乙烯选择性大于99.5%。HU等[17]以六甲基磷酰胺(HMPA)为配体,制备了15% Cu 10% HMPA/SAC催化剂,在180 ℃,气体空速(GHSV)=180 h-1,V(HCl)∶V(C2H2) =1.2条件下,乙炔转化率为87.3%,氯乙烯选择性大于99.0%,认为HMPA中O原子与Cu形成了稳定的配位结构,强化了铜活性物种的锚定作用,从而提高了铜基催化剂的催化性能。ZHOU等[18]使用气相沉积法制备了N掺杂铜纳米管催化剂Cu-NCNT,相比于未经掺杂的Cu-MWCNT催化剂,N掺杂的铜纳米管催化剂的乙炔转化率提高了40%,进一步证明载体中N原子掺杂可以显著提高Cu-MWCNT催化剂的反应活性。LI等[19]采用浸渍法制备了磷酸改性的CuP/SAC催化剂,认为载体中P掺杂可以有效抑制铜纳米颗粒的聚集。由此可知,杂原子(N、P等)的引入有助于提高Cu活性相在载体上的分散,增强Cu活性物种与载体之间的相互作用,影响反应物分子吸附、活化等,从而进一步提升其催化性能。但目前乙炔氢氯化铜基催化剂的改性方法中常选用含N、P的有机大分子试剂,其制备方法复杂、成本较高,难以大规模工业化生产,且依然存在催化剂活性低、稳定性差的问题。

基于此,拟采用资源丰富、成本低廉的新疆煤基炭(CAC)为载体,利用超声-辅助浸渍法制备系列尿素(Urea)改性的Cu/Urea-CAC催化剂并对其乙炔氢氯化催化性能进行研究,结合表征和催化性能测试,探究尿素在Cu/Urea-CAC催化剂中的增强作用,进一步拓展新疆煤基炭的应用,也为乙炔氢氯化无汞新催化体系的设计合成及其催化作用提供了数据支撑。

1 试 验

1.1 原料与试剂

氯化铜(CuCl2·2H2O),分析纯,天津市致远化学试剂有限公司;盐酸(HCl),分析纯,天津市化学试剂三厂;尿素(Urea),分析纯,天津市福晨化学试剂;新疆煤基活性炭(CAC,0.850~0.425 mm(20~40目)),山西新华活性炭有限公司;氮气(N2),体积分数为99.99%,新疆山下机电设备有限公司;氢气(H2),体积分数为99.99%,乌鲁木齐鑫天意(特种气体)有限公司;乙炔(C2H2),体积分数为99.99%,新疆山下机电设备有限公司;氯化氢(HCl),体积分数为99.99%,北京市马尔蒂科技有限公司。

1.2 催化剂制备

催化剂均采用超声-辅助浸渍法制备,制备流程如图1所示。

图1 催化剂制备流程

Fig.1 Process of catalyst′s preparation

将一定量煤基活性炭置于1 mol/L HCl溶液中常温搅拌2 h,然后抽滤、去离子水洗涤至中性后,在120 ℃下干燥8 h,即可得到洗涤后的CAC。将相应计算量的CuCl2·2H2O固体放入烧杯,向烧杯中加入适量去离子水使其完全溶解后,将混合液逐滴滴加至CAC载体上,超声1 h,室温静置12 h后,在120 ℃下干燥8 h,即可得到Cu/CAC催化剂,其中,铜负载量为5%、10%、15%、20%和25%时,所制备的催化剂分别命名为5Cu/CAC、10Cu/CAC、15Cu/CAC、20Cu/CAC和25Cu/CAC。将洗涤后的CAC加入相应计算量的尿素溶液中进行60 ℃水浴,经搅拌、抽滤、去离子水洗涤(至中性)后,在120 ℃下干燥8 h,即可得到尿素改性的活性炭载体(Urea-CAC);再将相应计算量的CuCl2·2H2O固体放入烧杯,向烧杯中加入适量去离子水使其完全溶解后,将混合液逐滴滴加至Urea-CAC载体上,超声1 h,室温静置12 h后,在120 ℃下干燥8 h,即可得到尿素改性的Cu/Urea-CAC催化剂(Cu负载量为20%),其中,尿素质量分数为5%、10%、15%和20%时,制备的催化剂记为20Cu/5Urea-CAC、20Cu/10Urea-CAC、20Cu/15Urea-CAC和20Cu/20Urea-CAC。

1.3 催化剂的评价

催化剂的乙炔氢氯化性能评价采用常压双通道固定床反应器进行。具体操作步骤为:首先将4 mL催化剂装填进直径1 cm的不锈钢反应管中,利用适量N2吹扫去除反应系统中残留的空气和水分;在160 ℃通入一定量氯化氢气体,使催化剂活化;最后在氯化氢和乙炔原料体积比为1.25,乙炔气体空速120 h-1时,将一定量乙炔气体通入反应器进行乙炔氢氯化反应。尾气通过氢氧化钠溶液吸收后,经5A分子筛吸水干燥,送入气相色谱(岛津 GC-2010)实时在线分析。催化剂催化性能的评价指标主要为乙炔转化率(XA)和氯乙烯选择性(SVC),计算公式如下:

(1)

SVC=NVC/(1-NA)×100%,

(2)

式中,NA0为反应气中乙炔体积分数;NA为剩余乙炔含量;NVC为混合气体产物中氯乙烯的体积分数[20]

1.4 催化剂的表征

采用德国Burker公司D8 Advance型X射线粉末衍射仪对样品进行晶型结构分析,采用Cu-Kα射线、测试电压和电流为40 kV和40 mA,扫描范围为5°~80°;采用美国Thermo Scientific K-Alpha型X射线光电子能谱仪对Cu物种的价态和含量进行分析;采用德国ZEISS Sigma 300型扫描电子显微镜分析样品的形貌结构;采用美国Quantachrome Autosorb iQ2型静态物理吸附仪进行低温氮气吸/脱附测试,获得催化剂比表面积等孔结构参数;采用美国Agilent 5110等离子发射光谱仪测试反应过程中Cu物种含量;采用美国PerkinElmer TGA4000型差热分析仪进行热重(TG)测试,升温范围30~800 ℃。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的催化性能及优化

Cu负载量对Cu/CAC催化性能的影响如图2所示,由图2可知,CAC载体本身没有乙炔氢氢氯化催化活性(乙炔转化率仅20.0%)。负载不同含量的Cu活性组分后,催化活性均有明显提升。Cu负载量小于20%时,催化剂乙炔的转化率随铜含量的增加不断升高;铜负载量为20%时,20Cu/CAC催化剂的催化活性最高,其初始乙炔转化率可达89.2%,反应500 min后仍保持在74.8%,氯乙烯选择性大于94.5%;而当铜负载量超过20%时,乙炔转化率略微下降,这可能是由于Cu负载量较大、聚集后堵塞CAC载体部分孔道所致。

图2 Cu负载量对Cu/CAC催化性能的影响

Fig.2 Effect of Cu loading on catalytic performance of the Cu/CAC catalyst

尿素引入量对20Cu/CAC催化性能的影响如图3所示。由图3可知,尿素改性对20Cu/CAC催化剂的乙炔氢氯化催化性能有一定影响,且尿素引入量与催化剂催化性能息息相关。相同反应条件下,催化剂活性顺序为:20Cu/15Urea-CAC>20Cu/10Urea-CAC>20Cu/5Urea-CAC>20Cu/20Urea-CAC。即当尿素引入量为15%时,20Cu/15Urea-CAC催化剂催化性能最佳,初始乙炔转化率可达92.6%,并且在反应500 min后催化剂活性仍保持在80.5%以上,催化性能优于未改性的20Cu/CAC催化剂,这可能是由于具有较强溶解性和良好化学稳定性的尿素分子引入,增强了Cu物种与载体之间的作用力,稳定了CAC载体上的Cu活性物种,进而提高了Cu/CAC催化剂的催化性能[21]

图3 尿素引入量对20Cu/CAC催化性能的影响

Fig.3 Effect of urea additives on catalytic performance of the 20Cu/CAC catalyst

2.2 尿素改性对催化剂活性相的影响

由20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂反应前后的XPS全谱图(图4(a))可知,198.8、284.8、400.8、531.9和933.9 eV处分别为尿素改性前后催化剂中的Cl2p、C1s、N1s、O1s和Cu2p特征峰,进一步证明尿素小分子已引入至20Cu/15Urea-CAC催化剂中。在图4(b)XRD测试结果中,发现2θ在20.8°、26.6°、50.1°处均属于CAC载体的特征衍射峰;反应前的20Cu/AC和20Cu/15Urea-CAC催化剂在2θ为9.7°处均出现了微弱的Cu2Cl(OH)3特征峰,证明Cu活性物种成功负载到尿素改性前后的CAC载体上,且铜物种主要以Cu2Cl(OH)3形式存在;反应后的20Cu/AC和20Cu/15Urea-CAC催化剂均存在较强的Cu2Cl(OH)3特征峰,且2θ在28.5°、47.4°处出现CuCl特征峰,这可能是在催化反应过程中Cu活性物种发生了部分还原所致[22]。结合反应前后20Cu/AC和20Cu/15Urea-CAC催化剂的Cu 2p XPS图谱(图5),发现反应前后催化剂均在930~938 eV出现2个特征峰,其中位于935.1 eV左右的特征峰归属于Cu2 、位于932.8 eV左右的特征峰归属于Cu 或Cu0物种[23],进一步说明乙炔氢氯化反应过程中,20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂均可能存在铜高价态(Cu2 )和铜低价态(Cu 或Cu0)。催化剂中Cu物种的价态分布对比见表1,可知反应后20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂中铜高价态(Cu2 )的比例均下降,而铜低价态(Cu 或Cu0)比例均相应增加,表明20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂中的铜高价态(Cu2 )物种是催化剂的活性物种,且反应过程中发生了Cu2 活性物种的部分还原[24]。对比反应后的20Cu/CAC催化剂,反应后的20Cu/15Urea-CAC催化剂中有更多的铜高价态(Cu2 )物种,说明尿素小分子的引入可以有效增加铜高价态(Cu2 )物种的稳定性。结合ICP表征结果(表2),发现20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂在反应过程中均存在Cu物种流失现象,其中20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂的铜物种流失率分别为15.3%和9.5%,进一步证明铜物种流失是催化剂失活的原因之一,且尿素小分子的引入可以有效减缓催化剂中铜物种流失。综上可知,尿素改性策略可以有效增强CAC负载Cu基催化剂中Cu活性相的稳定性、抑制Cu活性物种的还原和流失,从而有效改善催化剂的乙炔氢氯化性能。

表1 催化剂中Cu物种的价态分布对比

Table 1 Relative content of Cu species in the catalysts

续表

表2 催化剂中Cu物种的实际含量对比

Table 2 Actual content of Cu species in the catalysts

图4 催化剂的XPS和XRD图谱

Fig.4 XRD and XPS patterns of catalysts

图5 催化剂的Cu 2p XPS图谱

Fig.5 Cu 2p XPS spectra for catalysts

2.3 尿素改性对催化剂结构的影响

催化剂SEM图如图6所示,可知反应前20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂表面均存在不规则颗粒碎片,且尿素的引入并未改变20Cu/CAC催化剂的表面形貌和结构,此现象与XRD表征分析结果一致。与反应前催化剂相比,反应后催化剂孔道中均出现大量不规则颗粒,可能是由于反应过程中Cu活性物种的变化(团聚、流失)和催化剂表面产生积碳[25]。对比反应后20Cu/CAC催化剂,反应后20Cu/15Urea-CAC催化剂表面也存在许多不规则颗粒物,形貌变化不大,进一步说明引入尿素不会改变Cu/CAC催化剂表面形貌。结合催化剂的N2物理吸脱附结果(图7和表2),发现反应前后20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂均为H4型回滞环(图7(a)),且催化剂孔宽度集中分布于0.8、1.3和2.0~5.0 nm(图7(b)),说明催化剂中的孔形态为裂隙孔且集中以微、介孔分布。由表3知,CAC的比表面积为961 m2/g,平均孔径2.22 nm,负载Cu物种后,催化剂比表面积、总孔体积和平均孔径均有所下降,且20Cu/15Urea-CAC的比表面积下降更多(下降了61.08%),可能是除Cu物种外,尿素的引入也堵塞CAC的部分孔道所致[26]。与反应前催化剂相比,反应后20Cu/CAC和20Cu/15Urea-AC催化剂比表面积、总孔容积和平均孔径均明显降低,这可能是由于催化剂表面产生大量积碳覆盖部分活性位点,从而导致催化剂催化活性降低[27]

表3 催化剂的比表面积和孔结构参数

Table 3 Specific surface area and pore structure parameters of catalysts

图6 催化剂的SEM图

Fig.6 SEM images of catalysts

图7 催化剂的N2物理吸脱附结果

Fig.7 N2 adsorption and desorption results of catalysts

2.4 尿素改性对催化剂表面积碳的影响

为进一步确定催化剂在反应过程中的积碳量,对20Cu/CAC和20Cu/15Urea-CAC催化剂进行TG测试,结果如图8所示。可知催化剂在150 ℃前均存在失重现象,这主要是由于催化剂表面吸附水蒸发所致;在150~350 ℃失重是由于催化剂表面积碳燃烧;高于350 ℃失重可归因于CAC燃烧和尿素分解[28]。经计算,20Cu/CAC催化剂积碳量为14.07%,20Cu/15Urea-CAC催化剂的积碳量为12.13%,这不仅证明了积碳的产生也是导致催化剂失活的主要原因,更说明尿素改性可有效抑制CAC负载铜催化剂在乙炔氢氯化反应中积碳的形成。

图8 催化剂的TG分析

Fig.8 TG analysis of catalysts

3 结 论

1)利用尿素小分子改性策略成功制备系列以新疆煤基炭负载的铜基催化剂,铜负载量和尿素的引入量均会影响催化剂的乙炔氢氯化性能。当铜负载量20%、尿素引入量15%时,20Cu/15Urea-CAC催化剂的乙炔转化率可达92.6%,选择性始终大于98.2%,催化性能良好。

2)催化剂中Cu物种的还原、流失及催化剂表面积碳均是CAC负载铜基催化剂失活的主要原因。

3)适量尿素改性可抑制催化反应过程中Cu活性物种的还原、流失及积碳的形成,进而提升新疆煤基炭负载铜催化剂的乙炔氢氯化催化性能。

参考文献(References):

[1] XU H, LUO G H. Green production of PVC from laboratory to industrialization: State-of-the-art review of heterogeneous non-mercury catalysts for acetylene hydrochlorination[J]. Journal of Industrial &Engineering Chemistry, 2018, 5(9): 13-25.

[2] ZHU M Y, WANG Q Q, CHEN K, et al. Development of a heterogeneous non-mercury catalyst for acetylene hydrochlorination[J]. ACS Catalysis, 2015, 5:5306-5316.

[3] WANG L, LIAN L Z, YAN H J, et al. Acetylene hydroc-hlorination over the boron-doped Pd/HY zeolite catalysts[J]. RSC Advances, 2019, 9:30335-30339.

[4] MALTA G, FREAKLEY S, KONDRAT S, et al. Acetylene Hyd-rochlorination Using Au/Carbon: A Journey Towards Single Site Catalysis[J]. Chemical Communications, 2017, 53(86): 11733-11746.

[5] 王璐, 司建鑫, 崔新新, 等. 含氮碳材料在乙炔氢氯化反应中的研究进展[J]. 精细化工, 2021, 38(8): 1522-1529.
WANG Lu, SI Jianxin, CUI Xinxin, et al.Research progress of nitrogen-containing carbon materials in acetylene hydrochlorination[J]. Fine Chemical Industry, 2021, 38(8): 1522-1529.

[6] 李国栋, 周军, 张新力. 电石法聚氯乙烯生产中汞消耗与汞污染的降低[J]. 中国氯碱, 2009(3): 42-45.
LI Guodong, ZHOU Jun, ZHANG Xinli, et al.Reduction of mercury consumption and pollution in pvc production by calcium carbide method[J]. China Chlor-Alkali, 2009(3): 42-45.

[7] FAN Y R, XU H M, LIU Z S, et al. Tunable redox cycle and enhanced π complexation in acetylene hydrochlorination over RuCu catalysts[J]. ACS Catalysis, 2022, 1:7579-7588.

[8] MALTA G, KONDRAT S A, FREAKLEY S J, et al. Identification of single-site gold catalysis in acetylene hydrochlorination[J]. Science, 2017, 355: 1399-1403.

[9] ZHAO J, XU J T, XU J H, et al. Enhancement of Au/AC acetylene hydrochlorination catalyst activity and stability via nitrogen-modified activated carbon support[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 262: 1152-1160.

[10] WANG L, WANG F, WANG J D. Non-mercury catalytic acetylene hydrochlorination over the NH4F-Urea-modified Pd/HY catalyst for vinyl chloride monomer production[J]. New Journal of Chemistry, 2016, 40(4): 3019-3023.

[11] KAISER S K, CLARK A H, SAFONOVA O V, et al. Nanostructuring unlocks high performance of platinum single-atom catalysts for stable vinyl chloride production[J]. Nature Catalysis, 2020, 3(4): 376-385.

[12] SHANG S S, ZHAO W, WANG Y, et al. Highly efficient Ru@IL/AC to substitute mercuric catalyst for acetylene hydrochlorination[J]. ACS Catalysis. 2017, 7: 3510-3520.

[13] HU D, WANG L, WANG F, et al. Active carbon supported S-promoted Bi catalysts for acetylene hydrochlorination reaction[J]. Chinese Chemical Letters, 2018, 29: 1413-1416.

[14] NKOSI B, COVILLE N J, HUTCHINGS G J. Vapour phase hydrochlorination of acetylene with group VIII and IB metal chloride catalysts [J]. Applied Catalysis, 1988, 43: 33-39.

[15] 相博文, 王璐, 王丰, 等. Cu/HY催化剂在乙炔氢氯化反应中的性能及其失活原因[J]. 应用化学, 2018, 35(12): 1449-1456.
XIANG Bowen, WANG Lu, WANG Feng, et al.Performance of Cu/HY catalyst in hydrochlorination of acetylene and its deactivation cause[J]. Applied Chemistry, 2018, 35(12): 1449-1456.

[16] 张绪立, 王富民, 王录. 乙炔氢氯化过程中铜基催化剂的制备及催化性能[J]. 化学工业与工程, 2016, 33(3): 19-24.
ZHANG Xuli, WANG Fumin, WANG Lu, et al.Preparation and catalytic performance of copper-based catalysts for hydrochlorination of acetylene[J]. Chemical Industry and Engineering, 2016, 33(3): 19-24.

[17] HU Y B, WANG Y, WANG Y L, et al. High performance of supported Cu-based catalysts modulated via phosphamide coordination in acetylene hydrochlorination[J]. Applied Catalysis A: General, 2020, 591: 117408-117417.

[18] ZHOU K, SI J K, JIA J C, et al. Reactivity enhancement of N-CNTs in green catalysis of C2H2 hydrochlorination by a Cu catalyst[J]. RSC Advances, 2014, 4: 7766-7769.

[19] LI H, WANG F M, CAI W F, et al. Hydrochlorination of acetylene using supported phosphorus-doped Cu-based catalysts[J]. Catalysis Science &Technology, 2015, 5(12): 5174-5184.

[20] LI H, WU B T, WANG J H, et al. Efficient and stable Ru(III)-choline chloride catalyst system with low Ru content for non-mercury acetylene hydrochlorination[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39: 1770-1781.

[21] HAN Y, WANG Y L, WANG Y, et al. Pyrrolidone ligand improved Cu-based catalysts with highperformance for acetylene hydrochlorination[J]. Applied Organometallic Chemistry, 2021, 35: e6066.

[22] WANG B, ZHANG T T, LI L F, et al. Data-informed discovery of high-performance Cu-Ligand catalysts for acetylene hydrochlorination[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 480: 148323.

[23] WANG Y, NIAN Y, ZHANG J L, et al. MOMTPPC improved Cu-based heterogeneous catalyst with high efficiency for acetylene hydrochlorination[J]. Molecular Catalysis, 2019, 479: 110612-110622.

[24] ZHANG T T, WANG B, NIAN Y, et al. Excess copper chloride induces active sites over Cu-Ligand catalysts for acetylene hydrochlorination[J]. ACS Catalysis, 2023, 13:8307-8316.

[25] WANG X M, ZHU M Y, DAI B. Effect of phosphorus ligand on Cu-based catalysts for acetylene hydrochlorination[J]. ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 2019, 7: 6170-6177.

[26] 毛志文, 王璐, 张金龙, 等. 离子液体修饰对Cu/USY催化乙炔氢氯化反应性能的影响[J]. 分子催化, 2023, 5(37): 452-460.
MAO Zhiwen, WANG Lu, ZHANG Jinlong, et al.Effect of ionic liquid modification on catalytic performance of Cu/USY for hydrochlorination of acetylene[J]. Molecular Catalysis, 2023, 5(37):452-460.

[27] HAN Y, WANG Y L, WANG Y, et al. Pyrrolidone ligand improved Cu-based catalysts with high performance for acetylene hydrochlorination[J]. Applied Organometallic Chemistry, 2020, 34: 6066-6078.

[28] HU D, WANG F, WANG J D. Bi/AC modified with phosphoric acid as catalyst in the hydrochlorination of acetylene[J]. RSC Advances, 2017, 7: 7567-7575.

Hydrochlorination of acetylene performance over urea-modified Xinjiang coal-based carbon supported copper catalyst

YANG Hailong1,WANG Lu1,2,3,YAN Haijun1,SI Jianxin1,WU Ronglan1,LI Xiaofei3,WANG Jide1,2,GUAN Qingqing1,SUN Hui1,LIANG Changhai4

(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Fine Chemicals,Ministry of Education and Xinjiang Uyghur Autonomous Region,School of Chemical Engineering and Technology,Xinjiang University,Urumqi 830017,China;2.State Key Laboratory of Chemistry and Utilization of Carbon Based Energy Resources,Xinjiang University,Urumqi 830017,China;3.Xinjiang Uygur Autonomous Region Product Quality Supervision and Inspection Institute,Urumqi 830011,China;4.State Key Laboratory of Fine Chemicals,Dalian University of Technology,Dalian 116086,China)

AbstractDeveloping of environmental friendly,high-efficiency,stable and low-cost non-mercury catalyst is the key to PVC production using coal-route-based acetylene hydrochlorination. To improve the current problems of low catalytic activity and poor stability of copper(Cu)-based catalysts applied in the acetylene hydrochlorination reactions,a series of Cu/Urea-CAC catalysts were prepared by urea modification strategies and the effects of the urea addition and Cu loading on the catalytic performances of catalysts for acetylene hydrochlorination were investigated. When the urea content is 15% and the Cu loading is 20%,the Cu/Urea-CAC catalyst reveal the optimal catalytic performance with the 92.6% C2H2 conversion and 98.2% vinyl chloride selectivity under the reaction conditions of 160 ℃,a C2H2 gas hourly space velocity of 120 h-1 and molar ratio of hydrogen chloride to acetylene is 1.25. Combination with the characterization results of XPS,XRD,SEM,N2 adsorption and desorption,ICP-OES and TG techniques,it is suggested that the enhanced catalytic performance is mainly related to the appropriate urea addition,which can effectively inhibit Cu species reduction and loss,and decrease the carbon deposition,thereby improving the catalytic performance activity of Cu-supported on Xinjiang coal-based carbon catalysts for acetylene hydrochlorination. The results will expand the application of Xinjiang coal-based carbon and provide theoretical support for the design,synthesis and catalysis of a new catalytic system for acetylene hydrochlorination.

Key wordscoal-based carbon;acetylene hydrochlorination;Cu catalysis;urea

中图分类号:TQ032.4

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2024)06-0142-07

收稿日期:2024-01-30;责任编辑:常明然

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.XJ24013002

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基金项目:国家自然科学基金资助项目(22366036,21968033);新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2022D01C375);大连理工大学精细化工国家重点实验室开放课题基金资助项目(KF2304);新疆维吾尔自治区科研计划资助项目(2022A01006-3)

作者简介:杨海龙(2000—),男,河南商丘人,硕士研究生。E-mail:1793221491@qq.com

通讯作者:王 璐(1989—),女,新疆维吾尔自治区塔城人,教授,博士生导师,博士。E-mail:wanglu_4951@163.com

引用格式:杨海龙,王璐,闫海军,等.尿素改性新疆煤基炭负载铜催化剂的乙炔氢氯化性能[J].洁净煤技术,2024,30(6):142-148.
YANG Hailong,WANG Lu,YAN Haijun,et al.Hydrochlorination of acetylene performance over urea-modified Xinjiang coal-based carbon supported copper catalyst[J].Clean Coal Technology,2024,30(6):142-148.

洁净煤技术
《洁净煤技术》(月刊)是由国家煤矿安全监察局主管、煤炭科学研究总院与煤炭工业洁净煤工程技术研究中心主办的科技期刊。
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