高效且稳定的BaF?负载Ru催化剂,用于CFC-113a的加氢偶联反应

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》:Highly efficient and stable BaF 2-supported Ru catalyst for CFC-113a hydrogenation coupling reaction

【字体: 时间:2025年11月22日 来源:Journal of Industrial and Engineering Chemistry 6

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  本研究开发了BaF?负载的Ru催化剂用于CFC-113a氢化耦合合成CFC-1316mxx,表现出93.81%转化率、96.04%选择性及100小时稳定性(71.00%转化率/95.21%选择性)。通过XRD、BET等分析证实其酸性、 reducibility、比表面积及孔隙结构优异,BaF?作为氯吸收剂抑制催化剂失活。

  
刘园园|李东|青飞瑶|季庆民|权恒道
北京工业大学化学与化学工程学院,中国北京市海淀区中关村南路5号,邮编100081

摘要

开发合成新型环保型氯氟烃替代品符合全球可持续发展的理念,是对当前技术需求的积极回应。2,3-二氯-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(CFC-1316mxx)作为新型环保型氯氟烃替代品1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz)的合成中间体,具有重要的研究价值。本研究采用基于BaF2的Ru/BaF2催化剂,实现了1,1,1-三氟三氯乙烷(CFC-113a)的氢化偶联反应以合成CFC-1316mxx。通过XRD、BET、SEM、TEM、XPS、TG、H2-TPR和NH3-TPD等方法分析了Ru/BaF2在反应前后的物理化学性质,并评估了其催化性能。Ru/BaF2具有适宜的酸性、良好的还原性、合适的比表面积和孔结构以及出色的热稳定性。实验结果表明,Ru/BaF2表现出优异的催化活性、选择性和稳定性,CFC-113a的转化率为93.81%,CFC-1316mxx的选择性高达96.04%。由于BaF2还具有“吸氯”作用,可抑制催化剂失活,因此在使用100小时后,转化率仍可保持在71.00%,选择性仍为95.21%。基于催化剂的结构分析和产物的分布,推测了反应机理。

引言

随着《基加利修正案》的正式实施,具有高全球变暖潜能值(GWP)的第三代氯氟烃(CFC)替代品——氢氟烃(HFC)被纳入全球环境治理的严格管控范围[[1], [2], [3]]。1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz)被视为第四代氯氟烃(CFC)替代品——氢氟烯烃(HFOs)的重要代表[4]。由于其优异的环境性能(臭氧消耗潜能值ODP为0,GWP100小于10)、不可燃性、低毒性、良好的热力学性质和化学稳定性[[5], [6], [7]],它被广泛应用于制冷[8,9]、发泡[10]、热泵工作流体[11]、绝缘气体[12,13]、灭火剂[14]等领域。HFO-1336mzz的合成方法包括直接氟化、选择性氢化和消除反应[15]。其中,2,3-二氯-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(CFC-1316mxx)可通过简单的氢脱氯反应转化为HFO-1336mzz;而CFC-1316mxx的合成则可通过1,1,1-三氟三氯乙烷(CFC-113a)在氢气氛围下的气相氢化偶联反应实现。由于CFC-113a是易获得的原料,且合成过程不涉及氢氟酸和氯气等有害化学品,该方法是一种相对绿色且高效的途径,非常适合大规模工业化生产。
催化剂在CFC-113a的氢化偶联反应中起着关键作用。该反应在无催化剂的情况下几乎无法进行。常用的催化剂包括负载在活性炭或二氧化硅上的镍、铜、钌和铑等过渡金属。为了提高CFC-1316mxx的转化率,研究人员开发了多种催化体系,如单金属负载在无机载体上、双金属/金属氟化物体系、双金属合金催化剂、金属粉末和金属碳化物等[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。这些研究表明,金属间的相互作用和金属与载体的相互作用都会影响催化效率。然而,现有研究存在一些局限性:(1)液相反应容易受污染且缺乏连续性[20];(2)高转化率往往伴随着低选择性[16,17];(3)选择性提高会导致转化率下降[18,19,21,22];(4)需要过量的活性金属[[16], [17], [18], [19], [23]]。这些问题可能降低反应效率并增加成本,从而阻碍实际应用。此外,CFC-113a的氢化偶联反应会产生高腐蚀性的副产物HCl和HF,导致催化剂在使用过程中迅速失活。因此,亟需开发活性金属用量低、活性高且长期稳定的催化剂以推动工业化应用。
为克服CFC-113a合成过程中的毒性问题,本文研究了基于BaF2负载的Ru(Ru/BaF2)作为CFC-113a氢化偶联反应的催化剂。BaF2在脱卤[24,25]、氧化偶联[26]和光催化[27]中表现出良好的效果,尤其是在1-氯-1,1-二氟乙烷脱氢生成氟乙烯的反应中,其选择性优于其他金属氟化物[25]。尽管实验表明单独使用BaF2对CFC-113a的氢化偶联反应无催化活性,但它可能在反应中起到“吸氯”作用[28]。据此推测,BaF2有助于保持活性金属位点的清洁表面状态,从而延长催化剂的使用寿命。本文通过简单的机械混合还原法制备了Ru/BaF2,并研究了其在CFC-113a氢化偶联反应中的催化效果。通过分析产物分布和催化剂的结构变化,探讨了Ru/BaF2的催化机理,并与传统的Ru/C催化剂进行了比较。这项工作为氢化偶联反应的新型催化剂提供了新的见解和理论基础,同时对其在工业生产CFC-1316mxx中的应用潜力进行了评估。

化学品

RuCl3和BaF2购自中国上海的Aladdin公司,活性炭来自大阪气体化学公司,石墨粉来自中国上海的Macklin公司,1,1,1-三氟三氯乙烷来自中国上海的Meryer公司,H2和N2来自汕头气体厂。

Ru/BaF2催化剂的制备

将0.41克RuCl3和20.00克BaF2(Ru与BaF2的质量比为1 wt%)在室温下均匀混合。再加入0.63克石墨粉(石墨粉在混合物中的质量比为3 wt%)作为分散剂。

Ru/BaF2的形态分析

通过SEM观察发现,新鲜的Ru/BaF2颗粒呈不规则块状,尺寸范围从几十纳米到几微米不等(图2a)。Ru/BaF2的块状结构具有多孔性。采用类似方法制备的Ru/C-fresh也表现出不规则的块状形态(图S1a),但Ru/C-fresh的块密度似乎比Ru/BaF2更高。在块状颗粒表面难以观察到大孔。

结论

本研究开发了一种高效的Ru/BaF2催化剂,用于CFC-113a的催化氢化偶联反应生成CFC-1316mxx。Ru/BaF2凭借其适宜的酸性、良好的还原能力、合适的比表面积和孔结构以及出色的热稳定性,在反应中表现出优异的催化活性、选择性和稳定性。CFC-113a的转化率达到93.81%,CFC-1316mxx的选择性达到96.04%。即使在使用100小时后,其性能依然稳定。

作者贡献声明

刘园园:撰写初稿、方法设计、实验研究、数据整理。李东:实验研究、数据整理。青飞瑶:数据整理。季庆民:撰写、审稿与编辑、实验监督、数据整理。权恒道:撰写、审稿与编辑、实验监督、项目管理和资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢国家自然科学基金(项目编号:22338003)和陕西省重点研发项目(项目编号:2022JBGS3-12)的财政支持。
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