基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFA0206801); 国家自然科学基金(21972113,21473145,21972114)
通信作者:yzyuan@xmu.edu.cn
(厦门大学化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,能源材料化学协同创新中心,醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室,福建 厦门 361005)
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials,National Engineering Laboratory for Green Chemical Productions of Alcohols-Ethers-Esters,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
coal-based syngas transformation; biodegradable plastic; polyester monomer; polyglycolic acid; methyl glycolate; copper-based catalyst; silver-based catalystdoi:10.6043/j.issn.0438-0479.202006036
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.202006022
生物降解塑料是指一类可在自然界存在的微生物和藻类作用下进行降解的塑料.理想的生物降解塑料是一种具有优良使用性能,废弃后可被环境微生物完全分解,最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料.乙醇酸甲酯经缩聚反应可制得新一代生物降解塑料聚乙醇酸,而合成气(CO和H2混合气)转化的草酸二甲酯选择性加氢可实现乙醇酸甲酯的大规模制备.鉴于我国富煤的能源结构、国际原油市场的变幻波动以及环保要求提高等因素,开发煤基合成气化学路线的可降解塑料单体乙醇酸甲酯的生产技术不仅符合国家层面的战略技术需求,也适应绿色化学发展的理念,同时极具商业价值.本文概述了国内外催化合成可降解塑料单体乙醇酸甲酯的最新进展,重点讨论了基于我国日渐成熟的“煤制乙二醇”技术路线中催化合成乙醇酸甲酯的研究现状,并展望该体系中可能存在的问题和可期的发展趋势.
Biodegradable plastics are a kind of plastics degraded by microorganisms and algae in nature.The ideal biodegradable plastic is a kind of polymer material with excellent property,in terms of that it can be completely decomposed by environmental microorganisms after being discarded,and finally become an integral part of the carbon cycle in nature.A new generation of biodegradable plastic polyglycolic acid can be prepared with polycondensation of methyl glycolate.In contrast,large-scale production of methyl glycolate can be achieved via selective hydrogenation of dimethyl oxalate converted from syngas(CO and H2).Considering the energy structure of China with rich coals,the fluctuation in the international crude oil market and the improvement of environmental protection requirements,developing the technology to produce degradable plastic monomer methyl glycolate via coal-based syngas chemical route not only meets the strategic and technological demands in the national level,but also fits the concept of green chemistry development,and is of great commercial value.In this review,the latest progresses in the catalytic synthesis of degradable plastic monomer methyl glycolate at home and abroad are summarized,with emphasis on the research status of the catalytic synthesis of methyl glycolate with the increasingly mature technology of "coal to ethylene glycol" in China.The potential problems in the system and future aspects are discussed.
随着聚酯产品(如塑料、建材聚酯、环保聚酯、纺织品等)在人们生活中的广泛应用,大量的废弃聚酯类产品因难以降解,长期残留在自然环境中,不仅对环境造成了严重污染,还严重威胁到人类社会的可持续发展.可降解聚酯产品,如包装或纺织类产品,在自然状况下可在较短时间内自主完全分解为水和CO2[1],因此成为近期研究的热点.在现实应用中可降解聚酯主要分为光降解与生物降解聚酯产品.其中,光降解聚酯的降解过程受光照强度、气温条件等自然因素的影响较大,因此主要应用于农作物覆盖物[2]; 生物降解聚酯早期采用填充型淀粉聚酯产品,只能分解为小体积的聚酯类,为假象降解,现已被淘汰[3].之后发展的可降解聚酯产品由淀粉、纤维素及少量降解辅助剂构成,这一类聚酯产品可实现完全降解,实现真正意义上的绿色环保,但其相对合成效率较低[4].
大宗聚酯类单体催化合成的原料来源主要集中于煤(合成气)、天然气、石油和少量的生物质(图1).现今石油基聚酯产品主要为聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PUR)、聚氯乙烯(PVC)与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)这6类材料,尽管现已证实多种聚酯产品可被微生物降解,并发现了相应的微生物或生物酶[5],但是,石油基聚酯产品仍存在着微生物降解缓慢和微生物菌株种类较少的缺点,难以实现大规模的自然降解[6].生物基聚酯产品以热塑性淀粉、聚乳酸(PLA)[7]与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)[8]为主,这类材料以再生资源为原材料,可实现完全生物降解,是最理想的环保型绿色材料之一,然而,受到生产效率与生产规模的限制,该类材料的生产成本较高、产量不足,目前难以实现大规模应用.其他重要的可降解聚酯,如碳酸二苯酯(DPC)是一种低毒、无污染的重要聚酯单体,广泛应用于聚酯和医药等领域.经苯
图1 不同聚合物合成来源及煤基化学可降解聚酯示意图
Fig.1 Schematic illustration of different synthetic sources of polymers and diagrams of coal-based chemical degradable polyesters
随着国内煤基化学间接法“煤制乙二醇(EG)”工业近年来的大力发展和DMO加氢催化合成工艺中关键催化剂的突破,大宗聚酯化学品如EG的生产工艺已经日渐成熟,该方法生产EG的工艺简单,成本低廉,实现了绿色无污染生产,符合绿色环保的要求(图2).乙醇酸甲酯(MG)是合成乙交酯和聚乙醇酸(PGA)的一种新原料,但国内煤基化学间接法制EG工艺中的PGA副产物的开发利用等未见报道.结合我国的煤化工发展特点,可考虑充分利用现有巨大且过剩的EG配套产能优势,开发高效且低成本的MG与低聚物乙醇酸(GA)副产物的衍生物产品与用途.本文将对煤基化学法间接催化合成MG的主要催化合成方法进行总结和归纳,并对现行研究的热点展开论述.
新一代可降解聚酯产品作为工业新技术的大宗化工产品,如PGA,具有良好的生物相容性、气体阻隔性、机械加工性,可在几个月内完全降解为CO2和水,无毒无害.因此,在废弃处理时不会对环境造成污染,有望取代石油基塑料材料,对社会的可持续发展具有重大的现实意义和商业价值.PGA作为现今世界上研究最广、应用最多的可生物降解材料之一(图1),已在美国、欧盟和日本获得可安全生物降解的塑料材料认证,在生物医学与环保材料等领域具有大量应用[12].目前,PGA主要应用于可吸收手术缝线等高端医用领域,并开始应用于食品包装的气体阻隔层和制造可降解塑料制品的原料,在医用、油气开采、包装等领域具有良好的应用与产业化前景.据初步测算,PGA的全球市场约120万~180万t,市场价值约50亿美元.在我国,PGA主要依赖于从美国和日本进口.
图2 煤基路线合成可降解聚酯单体的催化合成路线示意图
Fig.2 Schematic diagram of catalytic synthesis of degradable polyester monomers by coal-based route
HOCH2COOCH3+H2O→CH3OH+
HOCH2COOH.(1)
目前,PGA有以下几种合成方法:卤代乙酸缩聚法,以卤代乙酸为原料直接缩聚合成PGA[17],该方法工序简单,生产成本较低,但是原料氯乙酸对设备腐蚀性大,对环境污染严重.甲醛与CO缩聚法,以CO与甲醛直接缩合制取PGA[18],但是该方法制备的产物分子量较低,还需进一步缩合.乙交酯开环聚合法,Yamane等[19]采用特殊的溶剂获取较高纯度的GA,再进一步缩聚合成PGA,但是国内无法生产高纯度的乙交酯,因此难以普及.醇酸直接缩聚法,吴义斌等[20]运用微波辅助法,由GA或MG直接制备具有较高分子量的PGA,只需传统反应1%~10%的时间就可完成反应,其中需要的MG合成方法归纳如下:
氯乙酸水解法是我国化工产业目前制取MG的主要方法[21].该方法以ClCH2COOH与NaOH为原料制取GA,再跟甲醇在强酸的催化下生成MG.该方法收率低,污染重,且对设备的损伤严重,难以形成大规模的工业化.其反应方程式如下:
NaOH+ClCH2COOH→HOCH2COOH+NaCl,(2)
CH3OH+HOCH2COOH→HOCH2COOCH3+
H2O.(3)
甲缩醛与甲酸自由基偶联法是Texaco公司发现总结的.该方法以甲缩醛与甲酸为原料,在加入过氧化二叔丁基的无酸条件下,发生自由基加成反应后得到MG.该反应虽然简单,但是自由基加成易生成许多复杂的副产物,产物的选择性不高,难以分离[22-23].有专利报道以乙二醛与甲醇为原料,以硝酸铝为催化剂,在一定温度下反应制取MG,但原料中的乙二醛对人体和环境均有较强的毒害作用,且乙二醛价格昂贵难以实现大规模工业化生产[23].
甲醛羰化酯化法以甲醛、水与甲醇为反应物,在高温高压下羰化酯化生成MG,反应方程如下:
CO+HCHO+H2O→HOCH2COOH,(4)
CO+HCHO+CH3OH→HOCH2COOCH3.(5)
该反应最初始要求反应压力极高,后经过优化,在20世纪90年代由荷兰的Shell公司实现了在低温低压下的反应,为MG与EG的制备提供了一种简单温和的方法,缺点则是反应对设备的腐蚀性较强[23].
甲酸甲酯与甲醛偶联法以甲酸甲酯和甲醛(或聚甲醛)为原料,以强酸作为催化剂制取.根据催化剂的相态(液体和固体)分为液体强酸催化偶联法和固体强酸催化偶联法.反应方程式如下:
HCOOCH3+HCHO→HOCH2COOCH3.(6)
固体强酸催化偶联法主要以固体Lewis酸、磷钼酸、阳离子交换树脂等作为催化剂,具有良好的催化性能.贺德华等[24]以固态杂多酸和酸式盐及其金属盐为催化剂考察了不同催化剂对反应的影响,结果表明,硅钨酸和磷钨酸对偶联具有较高的催化活性.该方法的催化剂易于回收,产物容易分离且对设备的损伤不是很严重.液体强酸催化偶联法通常以硫酸或者有机磺酸为催化剂,在一定的温度和压力下合成MG.其MG的收率较高,但是同固体酸催化剂相比,液体酸催化剂难以回收,且与产物难以分离[25],废液易对环境造成污染,难以处理,还会对设备造成一定的腐蚀.
近些年随着C1化工的兴起,CO催化偶联制DMO的技术已经成熟,实现了工业化,极大地提高了DMO的产量.虽然DMO加氢制EG的技术也有了一定的研究成果,但对DMO加氢反应中的第一步加氢产物MG则还缺乏足够的研究.式(7)和(8)为CO催化偶联制取DMO的反应方程式,反应中产生的NO可经反应式(8)生成亚硝酸甲酯而实现重复利用:
2CO+2CH3ONO→(COOCH3)2+2NO,(7)
2NO+2CH3OH+O2→2CH3ONO+H2O.(8)
产物DMO再经加氢过程就可制得MG.该工艺符合我国煤炭与天然气资源丰富的情况,且反应过程中无污染严重的副产物生成,符合经济环保的发展路线,具有很大的发展潜力[26].由合成气制取MG的总反应方程式为:
3CO+1/2O2+4H2→HOCH2COOCH3+H2O.(9)
合成气制DMO的技术在二十世纪七八十年代就已获得突破.自此,人们对DMO加氢反应的研究也逐渐兴起,主要分为均相加氢和非均相加氢两个领域,催化剂分别以贵金属Ru络合物和Cu、Ag为活性中心.目前国内开展的研究热点集中于“煤制EG”的羰化和加氢催化过程,其中在DMO关键加氢催化剂方面还存在一定的问题,如稳定性和选择性还有提高的空间和要求.从传统发展的路线归类,DMO加氢体系可分为液相加氢和气相加氢.
最初用于酯类化合物液相加氢的固体催化剂是铬酸锌、固载镍和铬酸铜等[27],该催化剂需要的反应压力极高(通常在10 MPa以上),也需要较高的反应温度(通常在453 K),对反应设备的要求较高.但是反应的产物选择性却极低,无法用于大规模产业化生产[28].为了克服上述问题,贵金属催化剂被应用于DMO加氢反应体系中.日本的UBE公司[29]将贵金属Pd负载的催化剂应用于DMO加氢反应中,在常压、418 K 、氢酯摩尔比200的条件下,DMO的转化率达到50%且MG的选择性达到70%以上; 在相同反应条件下,增大Pd的负载量(质量分数,下同)时反应的收率和转化率均有明显提升.
近年,本课题组[30-31]开发了系列N官能化仲氨基配体修饰的Ru配合物催化剂体系用于DMO加氢制MG(图3).研究发现这些新配合物的催化性能明显优于相应的伯氨基配合物,这种显著的改善归因于次级氨基配体比初级氨基配体的电子密度大.这为高效均相加氢催化剂的设计开辟了一条新途径.DMO加氢反应的均相催化体系主要采用以Ru为活性中心的均相催化剂.Ru基催化剂原本主要应用于羰、醛、酮、酸、酯的加氢反应.Matteoli等[32-34]研究了均相催化剂Ru配合物在DMO加氢反应体系中的应用,分析了有无插入配体时催化剂的催化活性差异,研究结果表明:无插入配体时,Ru基催化剂的加氢活性较低,而且会产生较多的副产物; 而在Ru的羰基配体中插入P或者N配体后,催化剂的MG选择性可以达到约100%,但不同的插入配体和羰基Ru前体会导致不同的催化性能,尤其是产物选择性方面; 此外,反应条件的变化,如溶剂、压力、(b)和(c)分别是催化剂3和8在30%概率水平下的热椭球,
为了清晰起见,省略了大多数氢原子.(d)催化剂2~9为
(o-PPh2C6H4NHR)2RuCl2(R=H(2),Me(3),Et(4),
CH2Ph(5)),(o-PPh2C6H4NH2)[(CH2NHR)2]
RuCl2(R=H(6),Me(7),Et(8),iPr(9)).
图3 Ru基催化剂对DMO加氢制MG(和/或EG)的催化过程示意图(a)、催化剂X射线晶体结构图(b,c)和DMO加氢催化性能与催化剂结构的关联(d)[31]
Fig.3 Schematic illustration of catalytic process of liquid-phase for DMO hydrogenation to MG over Ru-based catalysts(a),X-ray crystal structures of catalysts(b,cand relationship between catalytic performance and structure of DMO hydrogenation catalyst(d)[31]
在20世纪90年代末,Teunissen等[35]深入地研究了均相DMO加氢催化剂,研究发现,以Ru(acac)3为活性中心和MeC(CH2PPh2)3为配体得到的催化剂,在100 ℃和反应压力7.0 MPa的条件下,获得了收率超90%的EG.同时,获得采用不同配体和Ru(acac)3形成的催化剂的结构和催化性能的关联,其中三齿配体MeC(CH3Ph2)3与Ru(acac)3形成的均相催化剂有利于提升EG的选择性,而PhP(C2H5Ph2)2与Ru(acac)3形成的均相加氢催化剂则有利于提升MG的选择性.该研究使DMO加氢反应体系可以根据目标产物的不同灵活选择不同的催化剂.
可以发现,均相催化剂具有高选择性和高转化率的优点,适用配体可以更好地优化反应条件.但该催化剂体系仍存在一些问题,包括均相催化剂通常以Ru为活性中心,制备复杂,成本昂贵,难以实现大规模工业化生产,而且催化剂寿命短,难以实现二次利用.因此,采用多相催化剂对DMO选择性加氢合成MG将更具工业应用意义.
20余年来,已有许多DMO加氢制EG的研究报道,在DMO直接加氢制乙醇方面也有相关研究报道[36-37].而MG作为DMO加氢过程中的第一步产物,被认为是副产物而被抑制,导致相关DMO加氢制MG催化体系的研究较少.早期报道的研究工作主要以Cu基催化剂为主,常见于DMO加氢制EG的研究体系中,后期逐步开发出单金属Ag基催化剂和双金属催化剂.表1列出了近年来DMO选择性加氢制MG的催化剂对比,可以看出,主要有Cu基、Ag基(贵金属)和其他新型催化剂.
Cu基催化剂具有低温下低DMO转化率与高温下低MG选择性的特点[38,58],因此需要对Cu基催化剂进行一定的修饰才能得到理想的MG收率.例如,Abbas等[59]以还原氧化石墨烯(RGO)为载体负载25%(质量分数)的Cu物种,得到的催化剂可以使MG的收率达到98.8%,并且可以连续稳定运行300 h.此外,还有以ZrO2-SiO2[60],羟基磷灰石(HAP)[41],活性炭[43]与MgO[42]为载体的Cu基催化剂,对MG的收率都有了一定的提升.但是,仍存在空速低,寿命短等缺点.
最近,在Cu基催化剂体系中,通过采用高能离子轰击策略改变Cu纳米粒子表面的电子结构,使其稳定在金属态,该方法得到的Cu基催化剂表现出可与贵金属Au和Ag媲美的特性,尤其在DMO加氢制MG催化反应中[40].进一步研究发现,离子轰击的Cu催化剂可将DMO催化加氢控制在热力学不利但附加值却极高的初步加氢产物MG阶段,其选择性最高达87%.并采用量子化学计算方法深入探讨了催化机制,证实DMO加氢在Cu0物种上可被控制在产物MG的阶段,从而避免DMO过度加氢到EG或者乙醇.Su等[40]的研究工作颠覆了调变Cu催化剂易使DMO发生深度加氢反应的传统认知,同时为调节金属加氢能力,设计替代贵金属的催化剂提供了全新的策略([40]">图4).
然而,对于稳定并高效地利用Cu基催化剂于DMO加氢制MG,也有研究结果认为关键在于稳定Cu0物种[40,61].Huang等[39]采用氨挥发法制备了Na2SiO3
[40]">图4 Cu原子被等离子体“轰击”冷冻图示(a)及其不同Cu基催化剂表面的DMO加氢制MG性能(b)和反应机理(c)[40]
Fig.4 Schematic illustration of "freezing" copper species(a)and performances of DMO hydrogenation to MG(b)as well catalytic reaction mechanism(c)over surfaces of different copper-based catalysts surfaces[40]
改性的Cu/SiO2催化剂,并将其用于DMO加氢制MG的反应中,他们发现:Na2SiO3的加入使催化剂中的聚积孔严重收缩,但对8 nm以下的中孔结构影响不大; 此外,微量的Na2SiO3促进了层状硅酸铜的生成,导致Cu+物种略有增加,而Cu0物种减少.在DMO加氢制MG反应中,0.5%Na2SiO3改性的Cu/SiO2催化剂的MG收率和MG选择性分别达到83%和99.8%.Na2SiO3掺杂导致的一些较小的聚积孔的损失可能是MG选择性高的主要原因,因为较大的孔可以保证MG快速转移到外表面,所以可以防止MG的进一步加氢.此外,Na2SiO3掺杂引起的Cu0物种的减少可能是MG选择性高的另一个原因,因为没有足够的活性氢供MG的进一步加氢(图5).
图5 Na2SiO3修饰的高选择性Cu基催化剂用于DMO加氢制MG[39]
Fig.5 Highly selective copper-based catalysts modified by Na2SiO3 for hydrogenation of DMO to MG[39]
早期研究中,Ag一般作为助剂添加到Cu基催化剂中,如日本UBE公司[62]发现掺杂Ag可提高Cu基催化剂上的MG选择性.Wang等[63]制备的Cu-Ag/SiO2催化剂上DMO转化率高于90%,MG收率达到69%.廖湘洲等[64]考察了Ag改性Cu基催化剂用于DMO加氢制MG反应的稳定性,结果发现,失活催化剂存在一定程度的积碳,其活性Cu物种的晶粒尺寸与新鲜催化剂相比有所增加,且在反应过程中载体存在明显的硅流失现象,推断这些是使催化剂失活的主要原因.之后的研究中,Ag逐渐作为主要的活性组分用于DMO加氢制MG反应.
本课题组[52,65]制备碳纳米管(CNT)负载的Ag催化剂,当Ag负载量为10%时,DMO转化率和MG选择性均在99%以上,优于其他载体制备的催化剂(图6).Yin等[66]采用溶胶-凝胶法制得较高负载量(15%)的Ag/SiO2催化剂,当反应温度较低时(220 ℃)MG选择性高达92%,但提高反应温度后MG选择性迅速下降; DMO可进一步加氢得到EG,EG的选择性在280 ℃时可达96%.他们还曾采用蒸氨沉淀法将Ag负载于MCM-41上[67],结果发现焙烧温度、表面羟基数量和预处理条件均显著影响其催化性能,更多的表面羟基数量及经Ar处理均可提高DMO转化率和MG选择性.本课题组[68]制得介孔分子筛SBA-15负载的Ag基催化剂,在DMO液态空速0.6 h-1、反应温度200 ℃的条件下,反应主产物为MG,且随Ag负载量的增加,DMO转化率呈经典的火山型变化,当Ag负载量为10%时,MG收率达到最高,DMO转化率达100%,MG选择性达94%.此外制备过程中的还原升温速率越慢,则Ag的尺寸越小,加氢活性越高,即适当的负载量及较低的还原升温速率有利于催化剂活性组分的分散和催化性能的提高.
图6 限域Ag活性物种在CNT孔道中构筑DMO加氢制MG催化剂示意图(a)、电镜图(b~d)及其催化性能(e)[52]
Fig.6 Schematic description of confined Ag active species in CNT for MG production via hydrogenation of DMO(a),TEM images(b-d)and catalytic performances(e)[52]
金属Au也可调变催化剂的加氢活性,从而高选择性得到MG.Yin等[69]通过蒸氨沉淀法制备了系列负载型CuAu双金属合金催化剂,发现在较低的温度下,该催化剂的MG选择性非常高,优化条件下DMO转化率在90%左右,但MG选择性接近100%.本课题组[51,68]考察了经三乙氧基硅基丙胺为功能化试剂修饰过的SBA-15介孔分子筛负载Au和Ag催化剂的DMO加氢性能(图7),在相同反应条件下,研究发现单金属的Ag/SBA-15基本没有活性,Au/SBA-15的催化活性也较低,而Au-Ag/SBA-15催化剂在DMO加氢制MG反应中显示出较高的活性和稳定性,Au-Ag间的协同效应可能来源于尺寸和电子结构的改变,即AuAg合金相的生成,其中Ag活性位用于活化H2,而相邻的Au位则对应于酯的活化.
图7 不同Au/Ag比的Au-Ag/SBA-15催化剂上DMO加氢制MG的性能(a)及8Au-1.5Ag/SBA-15催化剂上的催化稳定性(b)[51]
Fig.7 Performances of DMO hydrogenation to MG over Au-Ag/SBA-15 catalysts with different Au/Ag atomic ratios(a)and time-dependent catalytic performances over 8Au-1.5Ag/SBA-15(b)[51]
电子助剂的引入也可以调变催化剂的活性.本课题组[53]通过对活性炭(AC)添加N助剂(AC-N),在220 ℃,氢酯摩尔比80的条件下,可得到收率约为95%的MG,优于其他类型的Ag基催化剂(图8).此外,本课题组[54]在Ag/SBA-15催化剂中添加了一定量的Ni,在相对低温与较高空速的条件下,DMO转化率达到97.6%,MG选择性也达到92.8%,具有非常优异的催化性能(图9).Chen等[46]在Ag/SiO2催化剂中引入一定量的B2O3,制备的催化剂在180 ℃下,DMO转化率仍有98.9%,MG选择性也可达到97.2%.
(a)不同催化剂性能对比;(b)N-改性后催化剂的稳定性.
图8 高效N-改性碳基材料负载Ag催化剂用于DMO加氢制MG催化过程[53]
Fig.8 Efficient silver-based catalysts supported on nitrogen-modified carbon materials for DMO hydrogenation to MG process[53]
图9 Ag基合金催化剂在DMO加氢制MG中的应用[54]
Fig.9 Illustration of alloying Ag-based catalysts for DMO hydrogenation to MG[54]
开发出高活性和高稳定性的DMO加氢制MG催化剂依然具有挑战性.近年来,一些新型非Cu/Ag/Au基多相催化体系已有诸多报道,新型催化剂的研发对DMO加氢制MG并应用于实际生产提供了更多的可能性.Fan等[56]通过与氨基硅烷配体的配位作用,将Ru配合物共价键合到3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)修饰的SiO2表面,合成了负载型Ru-NH2-SiO2催化剂; 与传统的Ru/SiO2催化剂相比,负载型Ru-NH2-SiO2催化剂在80 ℃下对DMO加氢制MG的催化性能和稳定性有显著提高,MG收率在Ru-NH2-SiO2催化剂上为86.8%,而在Ru/SiO2催化剂上仅为34.5%; 进一步通过表征发现Ru-NH2-SiO2催化剂的优异性能是由于Ru纳米粒子在载体表面的超高分散和Ru中心富电子状态所致,如图 10所示.
图 10 负载型Ru-NH2-SiO2催化剂在80 ℃低温下用于DMO加氢制MG的示意图[56]
Fig.10 Schematic description of the heterogeneous Ru-NH2-SiO2 catalyst employed for DMO hydrogenation to MG[56]
对于Cu基催化剂的催化机理研究,Xu等[71]巧妙地通过在商业Cu颗粒表面包裹介孔SiO2,构筑了Cu—O—SiOx界面.Cu—O—SiOx界面的存在使介孔SiO2包裹的Cu颗粒催化剂的活性提高了近两个数量级(约80倍).动力学实验表明,相较于未包裹的Cu催化剂(189 kJ/mol),SiO2包裹的Cu催化剂表观活化能(107 kJ/mol)降低了43%,表明Cu—O—SiOx界面的存在改变了氢化机理.DFT计算表明,H2易在Cu—O—SiOx界面上形成Cu—Hδ-和SiO—Hδ+,带负电的Cu—Hδ-可亲核进攻酯基上的碳生成具有负电性的过渡态,而带正电的SiO—Hδ+物种则可有效稳定带负电的过渡态,进而促进酯基的氢化.同位素标记实验证实了纯Cu表面加氢和Cu—O—SiOx界面加氢具有不同的同位素效应.同时,当用NaOH处理使Na+预先占据界面O原子时,界面加氢被阻碍,其活化能和同位素效应与纯Cu体系相当,进一步证实了形成Cu—O—SiOx界面的重要性.基于对界面加氢机制的理解,该团队进一步运用原位还原页硅酸铜和限制生长的策略,实现高效催化剂(Cu-PSNT@m-SiO2)的制备.Cu-PSNT@m-SiO2催化剂拥有最大化的Cu利用率和催化活性Cu—O—SiOx界面,表现出极其优异的催化性能:在280 ℃、高时空流速下,转换频率(TOF)高达6 254 h-1,而普通CuSi催化剂在此条件下的TOF仅为50 h-1.
关于DMO选择加氢催化机理的深入研究,最近Cui等[72]从基础研究和实际应用的角度提出,金属载体协同催化在多相反应过程中起着至关重要的作用,如酸碱对中心等.他们以CuMgAl-层状双氢氧化物(CuMgAl-LDH)为前驱体,通过拓扑结构转变制备了一系列Cu基纳米催化剂.通过X射线衍射、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱等研究表明,CuMgAl-LDH的结构转变使Cu纳米粒子(为单一Cu0物种)在混合金属氧化物(如Al2O3)上均匀分散.优化后的催化剂(Cu/MMO-S3)在低温(160 ℃)下,对DMO加氢制EG表现出优良的催化性能(收率94.4%),该反应温度至少比Cu基催化剂通常接受的温度(高于200 ℃)低30~40 ℃.通过结构和性质的相关性研究,结果表明Cu和酸碱中心的三元协同催化作用占主导地位:载体的强酸位(Al3+)和中强碱中心(Mg2+-O2-对)是吸附极化C—O/C=O基团的活性中心,而H2在Cu0位上发生解离吸附.这种基于前驱体方法对金属和酸性LDH碱中心的精确控制将为合理设计和制备C—O/C=O基加氢多相催化剂提供新的可能,同时也为DMO选择性加氢制MG或EG提供了重要的反应机理,有助于对该加氢过程的理解.
Yan等[73]基于描述符的微观动力学分析方法,结合DFT计算结果,考察了在Cu、Ag、Ni和Ru催化剂上DMO加氢制MG的反应机理.计算结果表明,DMO分子沿着主要反应途径首先在催化剂表面解离为甲氧基和酰基物种,然后甲氧基加氢,并在末端羰基的C和O原子上依次加氢酰基.线性化学吸附和过渡态能量标度关系表明,C和O原子的吸附能可用来描述其他吸附物种和过渡态的能量.能量图和火山型活性图均表明,在4种催化剂中,Cu的加氢反应效果最好,其活性大小顺序为Cu>Ag>Ni>Ru.结果表明,催化剂选择性随催化活性的提高先升高后下降,并呈现火山曲线.Ag比Cu具有更好的选择性是因为吸附在Cu表面的结合强度较大,不仅促进了DMO的解离,而且阻碍了MG的脱附.他们研究发现不同催化剂表面活性和选择性趋势具有火山型规律,毒化效应是由于吸附强度增加使得中间产物或最终产物迅速占据活性中心而导致吸附速率缓慢,而最活跃或最优催化剂应该是位于火山顶端附近的催化剂,如Ag是这4种催化剂体系中最适合DMO加氢制MG的催化剂活性组分,如图 11所示.
图 11 基于微观动力学分析方法研究不同金属表面的DMO加氢反应机理[73]
Fig.11 Based on micro-dynamical analysis for illustration of catalytic mechanism for DMO hydrogenation on various metal surfaces[73]
在DMO加氢反应中币族金属(Cu、Ag、Au)催化剂的研究和应用最为深入,目前仅有少量非币族金属催化剂的研究,即主流催化体系仍是Cu/Ag催化体系.其中,因为Ag催化剂具有优异的MG选择性,所以在MG催化合成过程中以Ag基催化剂体系为主.众所周知,币族金属因为低的塔曼温度导致其在高温高压反应条件下的热稳定性不佳,Ag基和Cu基催化剂在DMO加氢过程的主要失活原因为金属粒子的烧结团聚.Cu/Ag基催化剂体系在反应过程中的烧结或失活机理主要有两种:一种为纳米粒子中原子的表面/气相迁移(奥斯瓦尔德熟化,Oswald ripening)导致的烧结,另一种烧结机理为纳米粒子通过整体粒子的迁移而烧结.相对而言,币族金属(Cu、Ag、Au)的失活机理研究相对较少.本课题组通过研究CO对Cu基催化剂在DMO加氢反应过程中的影响发现CO浓度的升高会导致Cu基催化剂的快速失活,这是由于在反应条件下CO可诱导Cu颗粒迁移而导致催化剂烧结失活[58].同时,Ag基催化剂等的失活机理研究集中在稳定Ag纳米粒子的策略研究上,如在催化剂载体表面进行修饰形成AgCu合金,以及采用金属-载体强相互作用等策略均可以有效提高币族金属在DMO加氢反应过程中的稳定性.
随着煤制EG技术路线的日渐成熟及对DMO选择性加氢制MG催化剂研发的不断深入,从该技术路线分支出煤制MG,再经缩聚合成生物降解塑料PGA,可望形成对煤制EG行业完美的补充; 作为可完全降解聚酯产品且定位于聚酯行业的下一代工艺,PGA产业的进一步发展为我国社会和经济可持续发展提供可行性.PGA聚合单体作为国家大力发展的大宗化学产品,具有显著的政策优势; 同时,在可降解聚酯材料推广的关键时期,发展PGA作为具有巨大潜在应用的高性能材料,有利于我国环保材料产业和国计民生的可持续发展.更为重要的是,结合我国的能源化工国情格局,利用煤制EG工业中的成熟配套装置通过变换催化剂即可制备MG联产PGA,此举具有极大的经济效益,同时也降低了PGA的市场推广难度,具有巨大的潜在应用和市场.
煤制EG/MG过程需要重点突破的瓶颈无疑是高效稳定的应用型催化剂的研发,关键在于如何通过调变催化剂的组成和结构以及催化反应条件,以实现DMO选择性加氢制MG/EG.然而,由于DMO和MG的沸点相差不大(分别为163.5 ℃和149~151 ℃),尤其是MG化学性质活泼,易于水解和分解,在工业上,为合成出高纯度MG,对DMO加氢制MG的实用型催化剂开发提出了更高的要求,维持DMO 100%的转化率比MG的高选择性将更具实用意义.
可以预期,作为煤基化学和C1化学的重要化工过程,合成气经DMO加氢制MG/EG等反应将会引发更深入的研究.控制DMO分子中C=O、C—O和C—C键选择性加氢得到不同的目标产物成为聚酯行业催化合成的一个关键问题.Cu基催化剂用于DMO加氢可以高选择性地将羰基C=O键氢解还原到EG产物,而保留C—C键; 但需要进一步对Cu基催化剂的抗烧结能力和寿命等问题进行深入研究,且Cu基催化剂上DMO选择性生产MG较难.因此,如何稳定Cu0被视为Cu基催化剂的研发重点和商业应用需要重点发展的方向.同时,对于Ag(或Au)基催化剂体系而言,重点在于降低Ag(或Au)的主催化剂含量,并需要制备出稳定高活性的Ag(或Au)物种.尽管本文综述了用于制备高效Ag(或Au)基催化剂的不同策略,但如果可以采用其他过渡金属(贱金属)替代贵金属体系则对煤基化学制备可降解聚酯单体行业具有重要的科学和现实意义,这也是今后需要重点研发的方向.催化剂的物理结构和活性的关系(构效关联)是催化剂研究体系中最重要的部分.对于多相催化体系,催化剂研究中有效的构效关联可以对催化剂的高效设计提供重要的机理和指导意义.总结前人在催化剂活性中心上的设计原则和思路可以发现,需要对币族金属如活性Cu0物种的稳定策略和对Ag0/Ag+比例的调控和稳定方法等增加重点研究,可考虑采用碱金属/碱土金属的插入作用形成金属间化合物以进一步稳定币族金属的高活性价态等.尽管煤制EG/MG催化工艺的的研究已取得阶段性进展,但要实现催化剂的工业化应用还需要催化、化工和新材料领域的研究者的共同努力.