高效负载型催化剂及绿色催化新技术

李殿卿

(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029)

高效负载型催化剂及绿色催化新技术

李殿卿

(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029)

项目意义：

我国是基础化学品和关键原料生产大国，基础化学品和关键原料制造业已成为国民经济的支柱产业之一，但从技术水平、环境效益和经济效益进行分析，与国外先进水平相比存在明显差距。基础化学品和关键原料按产品吨位计算的60%和按化工过程数量计算的90%与催化有关，没有催化技术就没有现代基础化学品和关键原料制造行业。为了赶超国际先进水平，选择技术水平低、在行业极具代表性的典型化学品，突破共性催化技术，迅速提升制造技术水平，满足国家重大需求具有重要意义。

过氧化氢、氯乙烯、己二腈和 2,3,5-三甲基氢醌是重要的基础化学品和关键原料，具有很高的产业关联度，年直接经济效益大于 900亿元，关联经济效益数以千亿计。我国过氧化氢的消耗量超过10 Mt·a-1(按 27.5%计)，受催化技术的制约，工艺技术落后、能耗高和原料消耗严重，技术水平与国外差距巨大。氯乙烯作为聚氯乙烯的原料，我国总需求量大于16 Mt·a-1，其中采用含汞催化剂的电石乙炔法产量超过13 Mt·a-1，污染严重，在联合国发布 2020年前禁汞的《水俣公约》后，行业发展面临灭顶之灾。己二腈是合成尼龙66树脂的原料，我国年需求量500 kt·a-1，长期依赖进口，其生产技术和产品定价权长期被国外公司垄断，实现己二腈制造技术国产化是几代从业人的梦想。2,3,5-三甲基氢醌是合成维生素E和高端聚苯醚以及环氧树脂材料的原料，附加值很高，国内年需求量超过100 kt·a-1，其合成原料长期依赖进口，且存在工艺步骤多、产品收率低以及环境污染严重等问题，开发2,3,5-三甲基氢醌的高效、清洁合成新工艺是当务之急。

项目总体目标：

通过分析发现，突破过氧化氢、氯乙烯、己二腈和2,3,5-三甲基氢醌等的新型催化合成技术是形成高效、绿色制造新工艺和先进产业化技术的关键，因此，进一步明确项目的总体实施目标：通过“高效负载型催化剂及绿色催化新技术”国家重点研究计划项目(2016YFB0301600)研究，实现系列新型负载型催化剂创新，突破无毒化、贵金属高效利用和替代的催化技术；开发过氧化氢、氯乙烯、己二腈和2,3,5-三甲基氢醌合成新型催化剂放大和应用技术；形成绿色制造新工艺和产业化技术，实现4种典型化学品和关键原料的制造水平从跟跑到并跑和领跑的飞跃。

项目关键科学和技术问题：

负载型催化剂活性位精细结构及其限域及稳定分布的调控机制；催化剂多级结构对4种化学品和关键原料合成的影响机制及协同调控新途径；催化剂无毒化、贵金属高效利用与替代、制备放大和应用关键技术。

项目主要研究内容：

(1) 揭示负载型催化剂活性位精细结构对反应转化率和选择性的影响规律。

(2) 通过催化剂活性中心设计及多级结构协同调控，创制4种典型化学品和关键原料绿色制造的新型催化剂。

(3) 构建新型反应器等关键装备，形成绿色制造新工艺。

(4) 完成工业示范，引领化学品和关键原料制造技术的发展。

预期效益：

我国是世界上蒽醌法过氧化氢第一生产大国，蒽醌加氢催化剂的年消耗量超过1 kt，并且为了蒽醌降解物的再生，每年还消耗50 kt以上宝贵的氧化铝资源。新型蒽醌加氢Pd催化剂的创新和应用，可提高反应效率30%以上，从而降低制造成本，实现节能减排。以新型固体碱催化剂代替碱性活性氧化铝，不仅可以提高20%以上的蒽醌降解物再生活性，而且寿命延长1.5倍，每年可节约30 kt氧化铝资源。通过项目实施，将创立我国具有自主知识产权的浆态床过氧化氢生产新工艺和固定床强化新工艺，建立年产100 kt及以上级示范装置2套，打破国外技术垄断，大幅度提高我国过氧化氢制造技术水平。

我国电石乙炔法氯乙烯年产量为13.5 Mt，总产能超过24 Mt，汞催化剂的年消耗量超过600 t，造成严重且难以修复的环境污染。项目将开发全新结构的无汞催化剂和氯乙烯合成成套绿色技术，建立万吨级示范装置，完成产业化示范。项目实施不仅可以杜绝汞污染的发生，而且有助于大幅度提升乙炔氢氯化反应效率，增加企业竞争力和经济效益。另外，在“一带一路”宏观经济战略引领下，可为分布于我国西北地区的氯乙烯制造企业的转型和转移过剩产能寻找新的出路。

项目实施将突破丁二烯氢氰化和异构化镍-膦催化剂关键技术，形成自主知识产权的己二腈绿色制造新工艺，通过50 kt·a-1己二腈产业化示范孵化成套产业化技术，不仅可以彻底改变我国己二腈长期依赖进口的局面，提升我国尼龙66合成等产业的市场竞争力，而且在全行业推广后可以产生超过60亿元的直接经济产值，关联经济效益不可估量。

本项目与煤化工紧密衔接，创制2,3,6-三甲基苯酚的新型氧化催化剂和2,3,5-三甲基苯醌生成2,3,5-三甲基氢醌的新型加氢催化剂，实现产品制备过程的近零排放，构筑自主知识产权的工艺技术体系。建成2,3,5-三甲基氢醌10 kt·a-1工业示范装置，每年可新创产值5亿元，同时减少MnO2和H2SO4的消耗和MnSO4等废渣的排放。新技术推广后可带动煤化工、精细化工、高分子材料和医药合成产业的技术升级，社会效益显著。

国家重点研发计划项目介绍

李殿卿，1962年生，男，博士，教授，博士研究生导师，享受政府特殊津贴专家,作为课题负责人承担国家自然科学基金重点计划、国家重点研发计划、国家科技支撑计划等省部级以上课题50余项,发表SCI、EI收录论文150余篇，获美国专利授权3项、中国专利授权45项,以第一完成人获国家技术发明二等奖1项，北京市科学技术二等奖1项，国家石油和化学工业局科技进步二等奖1项,以第二完成人获国家技术发明二等奖1项，北京市科技学技术一等奖1项。