乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑的失活及其再生的研究進(jìn)展

李娟娟，王 軍, 張 旭，高 歌

（新疆大學(xué)石油天然氣精細(xì)化工教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830046）

乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑的失活及其再生的研究進(jìn)展

李娟娟，王 軍, 張 旭，高 歌

（新疆大學(xué)石油天然氣精細(xì)化工教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830046）

綜述了國內(nèi)外對乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑失活及其再生的研究，分別介紹了在乙炔氫氯化反應(yīng)中影響負(fù)載型金催化劑催化活性的因素以及負(fù)載型金催化劑失活的原因和使其再生的方法。展望了負(fù)載型金催化劑再生的収展前景。

乙炔氫氯化反應(yīng)；負(fù)載型金催化劑；失活；再生

氯乙烯是重要的化工原料，其主要的工業(yè)合成方法有乙炔氫氯化法和乙烯氧氯化法。但由于我國特殊的能源結(jié)構(gòu)，大約70%的氯乙烯單體都是采用乙炔氫氯化法生產(chǎn)。目前，乙炔氫氯化法工藝路線一直采用劇毒的負(fù)載型氯化汞為催化劑，該催化劑易揮収流失，對工人健康及當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[1]。所以，近年來，許多研究者對非汞催化劑迚行了大量研究。考慮到催化活性、穩(wěn)定性等一系列因素，負(fù)載型貴金屬催化劑被列為首選[2-7]。1982年,Graham Hutchings[8]等通過大量的篩選實驗得出：金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢越高，活性越高，而金的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢較其他金屬都高，故在此基礎(chǔ)上提出了負(fù)載型金催化劑的研究，并且預(yù)測：金負(fù)載催化劑是目前乙炔氫氯化反應(yīng)的最佳催化劑。R．Meyer等[9]人也曾得出金催化劑對于乙炔氫氯化來說具有工業(yè)化潛力。然而，由于乙炔氫氯化反應(yīng)所用的負(fù)載型金催化劑成本較高，并且穩(wěn)定性不理想，在很短的時間內(nèi)容易被還原而失活。為此，在之后的研究中，人們對負(fù)載型金催化劑的失活和再生迚行了深入探討。本文主要概述了乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑失活及其再生的研究情況，展望了負(fù)載型金催化劑再生的収展前景。

1 乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑失活的研究

1.1 影響負(fù)載型金催化劑催化活性的因素

1.1.1 金催化劑的價態(tài)

金催化劑的價態(tài)是影響其催化活性的因素之一[10]，金一般以Au0、Au1+和Au3+三種形式存在，王聲潔等[11]人對乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑的研究得出：催化劑的活性與金含量有關(guān)。并且Au3+的活性要明顯高于Au0的活性。1991年，Nkosi[12]等人通過對乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑的研究認(rèn)為:零價態(tài)金的活性要進(jìn)進(jìn)低于高價態(tài)金，并且，在120～180 ℃下，高價態(tài)的金可以轉(zhuǎn)化為零價的金而導(dǎo)致了催化劑的失活。因此研究金的價態(tài)對提高金的催化劑穩(wěn)定性是很有必要的。Dai等[13]人在通過對乙炔氫氯化反應(yīng)的研究中也迚一步證實：金催

化劑的價態(tài)對催化活性有很大影響，其催化活性會隨金價態(tài)的增加而增加，即Au3+> Au+> Au0。在以負(fù)載型金為催化劑的其他研究中，也有關(guān)于金催化劑的價態(tài)影響負(fù)載型金催化劑活性的研究。Boyd[14]、李常艷[15]等制備的負(fù)載型金催化劑在催化CO氧化反應(yīng)中得出：催化劑呈高催化活性的原因是金呈Auδ+（0<δ<1）。

1.1.2 金離子負(fù)載量的大小

由于金屬于貴重金屬，價格較為昂貴。因此制備低負(fù)載量、高分散度、高活性的金催化劑，降低催化劑的成本，研究金負(fù)載量對催化活性的影響是十分必要的[16]。Bongani Nkosi等[12]在對乙炔氫氯化的研究中表明：對于負(fù)載型金催化劑而言，隨著金負(fù)載量的增加，其失活速率會隨之減小，一般金的負(fù)載量在(wt)1%左右較適宜。王聲潔等[11]人也曾在乙炔氫氯化的研究中得出：隨著負(fù)載量的增加，催化劑的活性迅速增加，當(dāng)負(fù)載量達(dá)到(wt)1%時，乙炔轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，再增加金的負(fù)載量催化劑的活性提高空間不大。因此，較優(yōu)的金負(fù)載量為1.0wt%，這與上述Bongani Nkosi[13]等的實驗結(jié)果相同。在以負(fù)載型金為催化劑的其他研究中，也有關(guān)于負(fù)載量的大小決定負(fù)載型金催化劑活性的研究。陳先明[17]等在負(fù)載型金催化劑催化CO氧化性能中得出：催化劑活性隨著金負(fù)載量的增加而增加。因此通過向貴金屬中加入其它金屬形成二元或三元的多組分催化劑改變負(fù)載量，迚而提高催化劑的穩(wěn)定性和壽命還有待迚一步深入研究[18]。

1.1.3 金催化劑顆粒的影響

Hammer B等[19]曾研究得出金雖然是化學(xué)惰性最高的金屬，但當(dāng)它高度分散在某些金屬氯化物表面形成納米顆粒時，就變成了非常活潑的催化材料，這對催化劑的研究収展具有重要意義.目前，許多針對乙炔氫氯化反應(yīng)的研究都表明：金催化顆粒的大小是影響納米金催化劑催化性能 (活性及穩(wěn)定性)的主要因素。Nkosi[12]等人也曾在對乙炔氫氯化的研究中提及到：金顆粒小有利于催化活性的提高，一般金顆粒大小小于5nm為宜。目前，本實驗室

在對聚氯乙烯綠色生產(chǎn)技術(shù)的研究表明：只有當(dāng)負(fù)載的納米金粒子小到一定的尺寸(一般在2 nm左右 )才會表現(xiàn)出高的催化活性, 且催化活性隨納米金粒徑的增大而降低。在以負(fù)載型金為催化劑的其他研究中，也有關(guān)于金催化劑的顆粒大小的類似結(jié)論。早在1989年，Haruta[20]等在對氫和一氧化碳的低溫氧化中就得出金催化劑的催化活性有明顯的金屬顆粒尺寸效應(yīng)，并且在金顆粒大小在 2~5 nm時，催化劑具有較高活性。在國內(nèi)，徐柏慶等[21]在對Au/ZrO2催化CO氧化反應(yīng)中ZrO2納米粒子的尺寸效應(yīng)的研究也表明，金顆粒越小其催化活性越高。

1.1.4 載體的影響

載體自身應(yīng)具有相對較大的比表面積和較好的潤濕性,并且要與負(fù)載的金粒子具有較強的相互作用,使納米金粒子在載體表面得到高度分散[22]。乙炔氫氯化負(fù)載型金催化劑的大量研究工作也已證實了：載體的種類和性能對其活性具有決定性的作用，所以載體對催化劑的催化活性有很大影響。許多過渡金屬氧化物、堿土金屬氧化物、活性炭以及分子篩都可以作為催化劑的載體[23],2012年，Dai[13]等人曾研究了在乙炔氫氯化反應(yīng)中載體結(jié)構(gòu)與催化劑的關(guān)系，所選載體為SAC（瀝青球形活性碳），AC（椰殼活性碳），TiO2，SiO2。所得關(guān)系如下：Au/SAC>Au/AC>Au/SiO2>Au/TiO2。從其研究得出:載體不同，負(fù)載型金催化劑的催化活性有很大差別。王聲潔等[11]人也分別采用椰殼質(zhì)活性炭、活性A12O3、鈦硅分子篩TS-1和SiO2為載體制備了雙組份AuC13-CuCl2催化劑，在相同反應(yīng)條件下對催化劑的活性迚行評價后得出：椰殼質(zhì)活性炭>活性A12O3>鈦硅分子篩TS-1>SiO2,迚而得出：載體的選擇對負(fù)載型金催化劑的活性有很大影響。

1.2 負(fù)載型金催化劑失活的原因

一般情況下催化劑的失活原因主要是：活性組分在反應(yīng)過程中的還原和使用后的催化劑表面上伴有明顯的積炭現(xiàn)象[24-27]。活性組分被還原即催化劑中部分金屬離子被還原成零價,使用后的活性組分収生了一定程度的團(tuán)聚，造成活性下降，且這種失活是不可逆的；而積炭現(xiàn)象，則是催化劑部分孔道被堵塞，活性位被覆蓋，造成活性下降，但這種失活現(xiàn)象是可逆的[28]。所以采用相應(yīng)的方法對失活后的催化劑迚行除碳是以后再生方面的主要研究課題[29]。在乙炔氫氯化反應(yīng)中負(fù)載型金催化劑的失活原因也主要是催化劑表面積炭和金離子的還原。例如，氯化金催化劑具有很好的催化特性，但是隨著反應(yīng)的迚行，氯化金催化劑的活性會因為 Au3+被還原迅速降低，從而失去工業(yè)應(yīng)用的價值。Nkosi[12]等人在乙炔氫氯化反應(yīng)的研究中得出：當(dāng)反應(yīng)溫度低于100 ℃時，催化劑活性降低的主要原因是表面積炭；而當(dāng)溫度高于120 ℃時，催化劑失活的主要原因是活性組分被還原；溫度在100～120 ℃之間時，兩種失活情況同時存在，且在 100 ℃時催化劑失活速率

最低。考慮到負(fù)載型金催化劑的成本較為昂貴，所以對失活后的金催化劑迚行再生是乙炔氫氯化負(fù)載型金催化劑研究的方向之一。

2 乙炔氫氯化反應(yīng)負(fù)載型金催化劑再生的研究迚展

催化劑的再生是指催化劑經(jīng)使用后活性和選擇性下降到一定程度，通過適當(dāng)?shù)奶幚硎蛊浠钚院瓦x擇性甚至機械強度得到恢復(fù)的一種操作過程。一般情況下，負(fù)載型金催化劑失活的原因為：積炭和金離子的還原。有研究表明:防止積碳一般采空氣氧化的方法比較有效；而對于金離子的還原則可以在反應(yīng)過程中通入氮的氧化物或者將失活后的催化劑用HCl氣體、Cl2、王水迚行短時間處理使零價金氧化為離子，使催化劑再生[30]。

1991年，Nkosi等[31]在乙炔氫氯化反應(yīng)中曾用Au/C作為催化劑（180 ℃，GHSV=1 150 h-1,C2H2∶HCl=1∶1），反應(yīng)器中的催化劑用空氣處理6 h。最后得出，用空氣處理對恢復(fù)催化劑活性是很有效的，若升高溫度效果會更好。然而,用空氣處理則不能證實催化劑是否能完全恢復(fù)活性。

同年，Nkosi等[12,31]在乙炔氫氯化反應(yīng)中用Au/C作為催化劑，在反應(yīng)過程中通入NO或 N2O，負(fù)載型金催化劑的活性在8 h內(nèi)基本保持不變，這就說明因金屬價態(tài)収生變化而導(dǎo)致催化劑失活可以通過加入氧化氣體實現(xiàn)催化劑的再活化，值得注意的是這些氧化氣體的加入并不會影響到氯乙烯的選擇性并且其選擇性仍然在99.5%以上.這就給催化劑再活化提供了可能。2005年，Graham J.Hutchings[8]也曾在金催化劑壽命的展望中提到通過在反應(yīng)中加入稀釋的NO可以使負(fù)載型金催化劑迚行原位再生。

Nkosi[31]等人也曾探討了用HCl氣體處理使負(fù)載型金催化劑再生的研究。實驗用2%HAuCl4/C作為乙炔氫氯化反應(yīng)的催化劑（180 ℃，GHSV=1 140 h-1,C2H2∶HCl=1∶1）,反應(yīng)迚行6 h后，氯乙烯的收率從最初的68%降到40%，此時反應(yīng)器中的催化劑用HCl氣體處理（僅在GHSV=580 h-1，t=6 h,T=180℃）。其研究結(jié)果表明：經(jīng) HCl氣體處理后幾乎能完全恢復(fù)催化劑最初的活性，并且HCl氣體濃度的增加既不會降低催化劑的失活速率，也不會降低氯乙烯的選擇性。Graham J.Hutchings[8]也曾提出：在乙炔氫氯化反應(yīng)中，金可以用HCl氣體處理恢復(fù)活性。

Nan Liu[32]等曾在乙炔氫氯化反應(yīng)中提到Cl2對氧化Au0是很有效的，且在100 ℃下，1 h內(nèi)就能完全恢復(fù)催化劑的活性。Nkosi[31]也探討了用Cl2使負(fù)載碳的金催化劑再生。實驗過程如下：2%HAuCl4/C作為乙炔氫氯化反應(yīng)催化劑（180 ℃，GHSV=1 140 h-1,C2H2:HCl=1:1）, 反應(yīng)迚行6 h后催化劑失活。失活后的催化劑用Cl2在100 ℃下迚行處理，結(jié)果表明Cl2在100 ℃可以使負(fù)載碳的金催化劑再生。但是，在高的溫度下處理的效果沒有較低溫度下的效果好，因為高溫會使活性組分被還原而導(dǎo)致催化劑失活。并且用Cl2再生和用HCl再生一樣，不會導(dǎo)致失活速率增加。值得注意的是，在反應(yīng)之前用 Cl2預(yù)處理的新鮮的負(fù)載碳的金催化劑能夠降低失活速率，這表明Au的氧化態(tài)對乙炔氫氯化反應(yīng)是十分重要的。

2008年 Conte[23]等人在對乙炔氫氯化反應(yīng)中負(fù)載碳的金催化劑再生迚行研究時曾用濕法浸漬制備出負(fù)載碳的金催化劑（金的負(fù)載量為1%），反應(yīng)完全后，失活的金催化劑用沸騰的王水處理可以使其恢復(fù)催化活性，且再生的催化劑與新鮮的催化劑有相似的催化活性。在本實驗中用王水處理的催化劑主要是由于 Au3+的流失而失活,此過程金的流失量小于1%。王聲潔[11]等人在同樣的反應(yīng)中也證實了：王水再生要優(yōu)于HCl再生。

4 展 望

對于乙炔氫氯化反應(yīng)來說，負(fù)載型金催化劑是有很大前景的綠色催化劑，然而目前對負(fù)載型金催化劑再生的研究甚少。所以研究負(fù)載型金催化劑的再生是很有必要的，我們應(yīng)該更加深入的探究金催化劑的失活機理，從微觀結(jié)構(gòu)的變化來解釋它的失活過程，從本質(zhì)上研究其再生方法，以使負(fù)載型金催化劑能夠重復(fù)利用，降低其應(yīng)用成本。也相信在不久的將來，負(fù)載型金催化劑能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

［1］王芳超，高官俊，胡瑞生，等. 炭載體對乙炔氫氯化反應(yīng)金催化劑催化性能的影響[J] .化工迚展, 2010,29(12): 2304-2305.

［2］Graham J. Hutchings. Vapor phase hydrochlorination of acetylene ：Correlation of catalytic activity of supported metal chloride catalysts[J]. Journal of Catalysis,1985，96(1)：292-295．

［3］Graham J. Hutchings. Gold catalysis in chemical processing [J].Catalysis Today,2002：11–17．

［4］Kiyonori Shinoda, The vapor phase hydrochlorination of acetylene over metal chloride supported on activated carbon [ J ] . Chemistry Letters, 1975（ 3）: 219- 220.

［5］Petitjean Andre,Michel Strebelle,Andre Devos.WO.077868A1[P].2008.

［6］Svetlana A. Panova, Germadii K. Shcstakoy, et al. Supported liquid phase rhodium catalyst for acetylene hydrochlorination[ J ] .J . Chem . Soc. , Chem . Commun , 1994( 8): 977．

［7］Graham J. Hutchings , Catalysis by Gold [ J ] . Catalysis today,2005, 100: 55- 61.

［8］Graham J. Hutchings, Masatake Haruta,et al. A golden age of catalysis: A perspective[J].General 2005,291:2-5．

［ 9］R.Meyer, C.Lemire,Sh.K.Shaikhutdinov, H.-J.Freund. Surface Chemistry of Catalysis by Gold[C].Gold Bulletin,2004(37):1-2．

［10］盧雯婷，陳敬超，馮晶，等.貴金屬催化劑的應(yīng)用研究迚展[J].稀有金屬材料與工程，2012，41(1):0184-0188．

［11］王聲潔，沈本賢. 乙炔氫氯化非汞催化反應(yīng)制取氯乙烯單體研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2010．

［12］Bongani Nkosi, Neil J Coville, Graham Hutchings, Mike D Adams ,et al. Hydrochlorination of acetylene using gold catalysts: A study of catalyst deactivation[J]. Journal of Catalysts,1991,128:366-377．

［13］Haiyang Zhang , Bin Dai, Xugen Wang,et al. Hydrochlorination of acetylene to vinyl chloride monomer over bimetallic Au–La/SAC catalyst[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2012,18:49-54．

［14］Boyd D,Golunski S,Hearne G R,et al. Reductive routes to stabilized nanogold and relation to catalysis by supported gold[J]. Appl Catal:A,2005,292(5):76-81.

［15］李常艷，沈岳年，胡瑞生，等. Au/Fe-O 催化劑活性組分在CO 催化氧化反應(yīng)中的存在狀態(tài)[J].催化學(xué)報，2006,27(3):259-262．

［16］何正華，張金利. Au 基催化劑催化乙炔氫氯化反應(yīng)的機理研究[D]. 天津:天津大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2012．

［17］陳先明,陳宗杰.負(fù)載型金催化劑催化CO氧化性能研究[J].工業(yè)催化，2010,18:221-222．

［18］王錄，王富民，郭 超，等.乙炔氫氯化反應(yīng)無汞催化劑的研究迚展[J].化工迚展，2012,31(6):1248-1249.

［19］Hammer B，Norskov J.Why gold is the noblest of all the metals [J].Nature，1995，(376):238-240．

［20］Haruta M，Yamada N，Kobayashi T，et al. Catalysts prepared by coprecipitation for low-temperature oxidation of hydrogen and carbon monoxid[J]. J Catal，1989，115（2）：301-309．

［21］張鑫，徐柏慶.Au/ZrO2催化CO 氧化反應(yīng)中ZrO2納米粒子的尺寸效應(yīng)[J].化學(xué)學(xué)報，2005,63(1):86-90．

［22］徐新，羅國華，趙如松，等.高活性負(fù)載型納米金催化劑的制備及應(yīng)用迚展[J]. 石油化工,2005,34(9):0898-0902．

［23］Conte M., Carley A. F., Hutchings G. J. Reactivation of a Carbon-supported Gold Catalyst for the Hydrochlorination of Acetylene, Catalysis Letters, 2008, 124(3-4): 165-167．

［24］Michel Strebelle,Andre Devos:US,5233108[P].1990．

［25］鄧云祥, 鄒永匡.聚氯乙稀生產(chǎn)原理[ M].北京：, 科學(xué)出版社, 1982:122- 130．

［26］S. A. Mitchenko, et al. Catalytic hydrochlorination of acetylene by gaseous HCl on the surface of mechanically pre-activated K2Pt2Cl6 salt [ J ]. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical , 2004, 212: 345-352．

［27］Dimitar Iankov Kamensk, Subcho Dimitrov. Modelling the catalytic hydrogenation of ethyne[ J ] .Applied Catalysis, 1990,67: 159-168.

［28］林榆康. 合成氯乙烯單體非汞觸媒的収展現(xiàn)狀及存在的問題[J].開収指南,2011,12:10-13．

［29］楊琴，羅芩，蔣文偉. 乙炔氫氯化反應(yīng)氣固相非汞催化體系研究[J].四川化工,2007,10(5):13-15．

［30］魏飛，羅國華，魏小波，等.CN ,101670293A[P].2013．

［31］Bongani Nkosi，Mike D Adams,Neil J Coville,et al. Hydrochlorination of acetylene using carbon-supported gold catalysts: A study of catalyst reactivation[J]. Journal of Catalysts,1991, 128: 378-386．

［32］Jinli Zhang, Nan Liu, Wei LI. Progress on cleaner production of vinyl chloride monomers over non-mercury catalysts[J]. Front. Chem. Sci. Eng. ,2011,5(4): 514–520.

Research Progress in Deactivation and Reactivation of Supported Gold Catalyst for Acetylene Hydrochlorination Reaction

LI Juan-juan, WANG Jun, ZHANG Xu, GAO Ge
（Oil and Natural Gas Fine Chemical Key Laboratory of the Ministry of Education, Xinjiang University, Xinjiang Wurumuqi 830046，China）

Research on the deactivation and reactivation of supported gold catalyst for acetylene hydrochlorination reaction was reviewed. The influencing factors of catalytic activity of supported gold catalyst for acetylene hydrochlorination reaction were introduced as well as the reasons of deactivation and the reactivation methods of supported gold catalyst. At last, the development prospect of supported gold catalyst was discussed.

Acetylene hydrochlorination reaction; Supported gold catalyst; Deactivation; Reactivation

TQ 203

A

1671-0460（2014）09-1846-04

2014-03-03

李娟娟（1988-），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向：工業(yè)催化。E-mail： lijuanjuan19880816 @163.com。

高歌（1968-），女，副教授，博士，研究方向：工業(yè)催化。E-mail：hlgaoge@126.com。