基于离子液体的氯硅烷催化反应-相控耦合分离研究

四氯化硅是多晶硅产业的大宗副产物，易于气化和水解，腐蚀性和毒性极强，难以储运，亟待有效利用。本项目拟根据离子液体的构-效关系，通过对阳离子的侧链烷基进行取代，并选取不同类型的阴离子加以科学地配伍和协同，从而定向设计、合成一系列具有适宜沸点、极性和选择性溶合能力的功能型咪唑类离子液体；研制并评价纳米、多孔型过渡金属或其化合物构成的镍、钌、钯系催化剂，探索其负载方式，获得氯硅烷加氢反应的适宜催化剂及条件；系统地测定离子液体、氯硅烷等在不同条件下的极性，及氯硅烷和催化剂等在离子液体中的溶解度和相行为，掌握反应体系的成相规律及相控耦合分离条件；在特制的内循环无梯度反应器内，探索基于离子液体、超声辅助下氯硅烷催化加氢的反应规律，解析反应的微观机制，用热力学和动力学原理进行定量描述，为高效循环利用四氯化硅新技术的开发提供科学依据。

定向设计并合成了阳离子同为 [BMIM]，阴离子分别为[BF4]、[PF6]、[SCN]、[CH3COO]、[N(CF3SO2)2]、[N(CN)2]的6种咪唑基离子液体，同时制备了5种咪唑基功能化离子液体[C12MIM][NTF2]、[EOHMIM][TFO]、[HMIM][NTF2]、[EOHMIM][N(CN)2]和[BDMIM][BF4]，对合成原料及工艺路线加以优化探索，同时对它们进行了深度除杂和净化，并用1H NMR、13C NMR、FTIR等现代测试分析手段对这些离子液体进行了综合表征。精确地测定并分析了这些离子液体在不同温度下的粘度、密度和极性。分别测定了四氯化碳、四氯化硅和三氯氢硅于不同温度下在[Bmim][NTF2]、[Bmim][N(CN)2]、[Bmim][BF4]和 [Bmim][PF6]离子液体中的溶解度和相行为，关联计算了溶解度和过程的热力学函数变化，解析了溶解过程的热力学驱动机制。通过科学分析氯硅烷加氢转化反应的热力学和动力学特征，分别制备了多形貌微纳米金属镍、双金属FeNi3、负载型镍、多形貌微纳米钌、镍基非晶态合金、双金属非晶合金NiMeB(Me=Fe, Cu)、活性炭负载三元纳米金属（Ni, Cu, Pd）、微纳米金属镍包覆二氧化硅加氢催化剂等十几种不同类型的催化剂，用XRD、TEM、SEM和比表面积及孔径分析等方法对它们进行了物性分析，同时对其催化活性进行了科学评价，获得了适宜于氯硅烷加氢转化的催化剂。联合研制了搅拌装置分别为磁力搅拌和超声波搅拌两种搅拌模式的加氢反应装置。采用自制的反应装置和催化剂，详细地探讨了基于离子液体的四氯化硅冷氢化催化反应规律，确定了四氯化硅催化转化三氯氢硅的优化工艺条件，获得了不同反应条件下的转化率和产物选择性。结果表明，所制离子液体纯度较高，能够适宜于氯硅烷催化加氢转化反应及相控分离的要求；催化剂的活性和选择性较高，四氯化硅的单程转化率可以达到39.06%、三氯氢硅的选择性能够达到95.83%。