无汞催化制备氯乙烯最新研究进展

近日，上海交通大学大气污染控制团队与浙江大学和石河子大学的研究人员合作，在《自然·通讯》杂志上发表了一项重要研究成果。这项研究开发了一种新型的无汞催化剂，有望解决聚氯乙烯（PVC）行业面临的环境挑战。

研究背景与意义

PVC是全球使用最广泛的塑料之一，其生产过程中的关键步骤——乙炔氢氯化反应，长期依赖含汞催化剂。然而，随着国际《关于汞的水俣公约》的实施，寻找高效、稳定的无汞替代品成为行业亟需解决的问题。这一挑战对中国尤为重要，因为国内75%以上的PVC产量来自煤基工艺。

研究人员着眼于钌（Ru）基催化剂，这类催化剂因其优异的氯亲和性而备受关注。但传统Ru基催化剂在反应过程中易发生过度氯化，导致金属聚集和焦炭沉积，从而降低其活性和稳定性。

创新突破

研究团队提出了一种独特的解决方案：构建Ru-In不对称双原子催化剂。这种新型催化剂利用钌和铟原子之间的d-p杂化效应，成功实现了以下突破：

1. 高活性：在乙炔加氢氯化反应中，活性超过99.5%。
2. 高稳定性：可稳定运行超过600小时，远超其他Ru基催化系统。
3. 抑制过度氯化：有效降低了Ru原子上的氯配位，防止过度氯化和焦炭沉积。

工作原理

1. 结构特点：Ru-N-In/NC催化剂由随机排列的纳米片组成，Ru和In原子以原子对形式均匀分散，平均间距约0.37 nm。
2. 反应机理：
   • Ru和In原子间的d-p杂化作用降低了Cl配位和富集。
   • C2H2和HCl分别在In和Ru位点上独立吸附。
   • 改变了反应的控速步骤，降低了能垒。
3. 热力学转变：实现了Ru原子上氯化过程从放热到吸热的转变，从根本上避免了过度氯化和积碳沉积。

研究方法与结果验证

研究团队运用了多种先进技术和方法来合成和表征这种新型催化剂：

1. 合成：采用原子界面调节策略。
2. 表征：使用透射电子显微镜（TEM）、球差电镜和X射线吸收光谱（XAS）等技术。
3. 性能评估：通过温度程序解吸附（TPD）、漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）和密度泛函理论（DFT）计算等方法。

结果显示，Ru-N-In/NC催化剂不仅在活性和稳定性方面超越了同类Ru基催化剂，甚至优于部分金基催化剂。此外，这种合成策略还可应用于其他贵金属，具有广阔的应用前景。

这项研究为PVC行业提供了一种高效、稳定的无汞催化剂替代方案，有望推动行业向更加环保、可持续的方向发展。它不仅解决了长期困扰行业的环境问题，还为设计新型催化剂提供了创新思路。未来，这种催化技术有望在更广泛的化学工业领域中找到应用，为绿色化学的发展做出重要贡献。

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