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。