离子液体修饰铜基催化剂在乙炔氢氯化反应中的高效催化性能与机制研究

为解决乙炔氢氯化反应中传统汞催化剂的高毒性问题，研究人员开发了一种新型离子液体([Hnmpo]H2 PO4 )修饰的铜基催化剂(Cu-[Hnmpo]H2 PO4 /AC)。该催化剂在近工业条件下实现89.16%乙炔转化率和>99%氯乙烯选择性，通过调控Cu(II)电子结构显著提升抗积碳能力，为非贵金属催化剂工业化应用提供新策略。

　　

聚氯乙烯(PVC)作为全球第三大合成塑料，其生产核心工艺乙炔氢氯化反应长期依赖剧毒汞催化剂。尽管金(Au)、钯(Pd)等贵金属催化剂表现出优异活性，但其高昂成本和稳定性缺陷制约工业化应用。铜(Cu)基催化剂因成本低、毒性小成为理想替代品，但活性和稳定性不足成为瓶颈。浙江工业大学的研究团队创新性地将吡咯阳离子型离子液体([Hnmpo]H₂
PO₄
)负载于活性炭(AC)载体，构建了"宏观多相-微观均相"催化体系的Cu-[Hnmpo]H₂
PO₄
/AC催化剂。

研究采用浸渍法制备催化剂，通过X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)计算揭示作用机制。在150°C、空速50 h^-1
的准工业条件下，当n(Cu):n(N)=2:1时，催化剂乙炔转化率达89.16%，氯乙烯选择性>99%。表征显示H₂
PO₄
^-
阴离子通过电子效应稳定Cu(II)活性价态，增强对C₂
H₂
和HCl的协同活化能力。

催化剂制备

通过优化Cu负载量确定10 wt.%为最佳比例，采用超声辅助浸渍确保离子液体均匀分散。酸洗处理的AC载体提供高比表面积，减少传质限制。

催化性能

对比未修饰的Cu/AC，离子液体使催化剂寿命延长3倍，积碳量降低67%。动力学分析表明反应遵循Langmuir-Hinshelwood机制，HCl解离为速率控制步骤。

作用机制

DFT计算证实[Hnmpo]⁺
通过π-π作用锚定Cu物种，H₂
PO₄
^-
则作为电子受体使Cu中心带正电，促进HCl的异裂解离。原位红外光谱观察到Cu-C≡CH中间体的稳定存在。

结论与意义

该研究首次将吡咯型离子液体应用于Cu基乙炔氢氯化催化剂，创制的Cu-[Hnmpo]H₂
PO₄
/AC兼具贵金属级活性和非贵金属成本优势。其"载体稳定化-离子液体电子调控"双功能设计为绿色催化提供新范式，推动PVC行业无汞化进程。论文发表于《Molecular Catalysis》，获国家自然科学基金(U20A20119)支持。Xing Li和Xiaonian Li的合作研究证明，通过精准设计离子液体阴/阳离子结构，可实现对非贵金属催化剂性能的定向调控，这对拓展离子液体在多相催化中的应用具有启示意义。