三维结构BN材料的设计构筑及其在乙炔氢氯化反应中的催化机制研究

Currently, HgCl2 is used as catalyst for vinyl chloride production from acetylene in industry. The high toxicity of HgCl2 poses great threat to both environment as well as human health. It is urgent to develop non-mercury catalyst especially under the background of global mercury abatement policy. By far，the performance of non-mercury catalyst is far from satisfactory for industrial application. This project focuses on the study of BN material, aiming at developing an efficient and stable non-metal BN catalyst as candidate to replace HgCl2. Firstly, 3D hierarchically porous BN material is constructed with aid of solvent as well as hard template to facilitate the mass transfer and the exposure of active sites. Based on this material, controllable modification of structure and surface is realized through systematical material synthesis study. Furthermore, spectroscopic characterization and catalytic performance test are employed so as to establish the relationship of “preparation-structure-function” as guidance for the catalyst optimization. Lastly，by experiments and DFT calculation, we could get deep insight of the active site and reaction pathway and eventually reveal the catalytic mechanism, which will theoretically direct the improvement of the catalyst. This project will provide new solution and great guidance to promote the replacement of HgCl2 for acetylene hydrochlorination reaction.

乙炔法PVC工业生产过程中使用氯化汞作为催化剂，为环境及人类健康造成了极大威胁，在全球禁汞的大背景下，非汞催化剂的研发具有重要意义。目前非汞催化剂的性能距离工业应用还存在较大差距。本项目拟以BN材料作为着力点，旨在建立一套崭新的高效BN非金属催化体系以推动汞催化剂的替代。首先，采用溶剂辅助法结合模板法构筑具有三维等级孔结构的BN多孔材料，以强化反应传质及活性位的暴露；基于此材料，通过系统的材料制备研究实现催化剂的可控结构调变及表面改性；进而借助谱学表征手段及催化性能测试，建立“制备-结构-性能”的构效关系，进一步指导催化剂优化升级；最后经实验结合理论计算深入理解BN催化剂的活性中心及催化路径，从而揭示其催化机制，为实现BN催化性能的提升提供理论依据。通过本项目的研究，将为乙炔法合成氯乙烯非汞催化剂的研究提供新思路及实验依据。

乙炔法PVC生产过程中氯化汞催化剂的替代是推动氯碱行业可持续性发展的核心关键。非金属催化剂由于其环境友好性、经济竞争性，近期得到了广泛关注，但其催化性能与氯化汞催化剂仍存在一定的差距。本项目通过新型BN基多孔材料的设计构筑作为着力点，构建出崭新的高效非金属催化体系。首先，成功制备出具有三维等级孔结构、C原子掺杂的高缺陷BN材料，并通过选择原子去除的策略实现C掺杂含量、孔结构的可控调控；通过系统的催化研究，建立了构效关系，指导催化剂优化升级。最优催化剂可以实现在35 h-1，220 oC的反应条件下，95.7 %的乙炔转化率。进而，在选择原子去除的同时，原位引入S源，构筑出二维C、S共掺杂的BN纳米管催化剂，展现出更多的缺陷位点从而具有更优的催化活性。通过稳定性研究，发现积碳是催化剂失活的主要原因，我们成功开发出有效再生催化剂的方法，并阐明了再生原理。另外，本项目采用废弃的烟头作为碳源，构建出用于催化乙炔氢氯化的高效的非金属BCN催化剂，实现其变废为宝并推动乙炔氢氯化非金属催化剂的实际应用。最后，我们进一步拓展了BN基催化剂的催化应用范畴，发现了其C-H键活化的非金属催化特性，可直接作为催化剂用于Knovenagel缩合反应中。碳原子掺杂可以有效提升产物脱附从而显著提高催化活性。通过实验结合理论计算，我们揭示了其独特的解离吸附催化机制。本项目的研究将大力推动乙炔法氯乙烯制备的非汞催化研究，并为开发BN基非金属催化剂提供有益的借鉴及指导。