乙炔选择性加氢反应廉价催化剂的筛选与开发

Acetylene semi-hydrogenation is one of the most important steps in industrial production of ethylene. Nowadays, precious Pd-based catalyst is the most commonly used catalyst in industry. Therefore, the development of non-precious metal catalyst becomes more and more urgent. In this project, a progressive research plan, from a study of the reaction mechanism, to computational aided catalyst screening as well as experimentally synthesize and evaluate its catalytic behavior. By applying density functional theory calculations, the reaction mechanism of acetylene semi hydrogenation to form ethylene, full hydrogenation to form ethane and C-C coupling to form “green oil” will be revealed and the key factors which affects the selectivity towards different products will be uncovered. Based on the recently developed Bayesian Error Estimation Functional, the probability of a material which reaches the required catalytic activity and selectivity can be estimated in the dimension of descriptor space which can be used for catalyst screening. The selected catalyst will be synthesized experimentally and its catalytic behavior will be evaluated under simulated industry conditions. The successful execution of this project will provide deep understanding of acetylene semi-hydrogenation reactions and offer new guideline and foundation for catalyst design and improvement experimentally.

乙炔选择性加氢是乙烯工业生产过程中的一步重要反应，目前该反应常用的催化剂为较为昂贵的钯基催化剂，因此迫切需要开发新型廉价催化剂。本项目研究采用“反应机理研究－催化剂计算筛选－实验合成验证”递进式的研究方案，在计算预测的基础上辅以实验穿插相互印证的研究方法，进行廉价乙炔选择性加氢催化剂的筛选与开发。通过密度泛函理论计算，明确乙炔加氢反应及其副反应的反应机理，发现影响加氢反应、乙烯脱附、CC键聚合等不同反应的具体因素。基于贝叶斯误差分析泛函，发展新型用于催化剂筛选的概率火山图。对计算筛选出的目标催化剂进行实验合成，模拟工业条件对催化剂进行乙炔加氢活性评价。本项研究能够加深对乙炔加氢反应的了解，在理论计算的指导下有目的性的合成和优化出新型乙炔选择性加氢催化剂。

在化工生产中，大宗乙烯通过石脑油裂解生产，但是该工艺中产生的痕量乙炔会严重影响聚乙烯等下游产品的质量和催化剂的使用寿命，甚至设备安全。因此乙烯生产中脱炔过程必不可少。目前常用的脱炔方法是催化加氢法，其中，设计具备高稳定性、高选择性和高活性的催化剂至关重要。本项目基于密度泛函理论计算，采用“反应机理研究－催化剂计算筛选－实验合成验证”递进式的研究方案，在计算预测的基础上辅以实验穿插相互印证的研究方法，进行乙炔选择性加氢催化剂的筛选与开发。首先从微观层面上明确了乙炔加氢反应及C-C键聚合等副反应的反应机理，奠定了加氢催化剂的理性设计基础。进而考虑了基元反应的误差关联性，基于贝叶斯误差分析泛函，发展了用于催化剂筛选的概率火山图，直接预测出目标催化剂催化性能优于现有催化剂的概率。同时考虑覆盖度效应在实际催化体系中的影响，从而更准确地描述催化剂的性能化剂进行实验合成，模拟工况条件对催化剂进行乙炔加氢活性评价。本项研究加深了对乙炔加氢反应机理的认知，明确了加氢催化剂的设计思路，成功在密度泛函理论计算的推动下，从传统的试错法迈向了催化剂理性设计的新征程。