催化学报 ›› 2025, Vol. 75: 1-8.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64732-2

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高分散NaVO3催化氯甲烷选择性偶联制氯乙烯

刘芳维a, 卫锟锟a, 陈幼雯a, 胡景波a, 王玥a, 刘成园c, 潘洋c, 陈旭涛a,*(), 邹世辉b,*(), 范杰a,*()   

  1. a浙江大学化学系, 全省高值化学品低碳合成重点实验室, 浙江杭州 310058
    b浙江工业大学材料科学与工程学院, 浙江杭州 310014
    c中国科学技术大学国家同步辐射实验室, 安徽合肥 230029
  • 收稿日期:2025-02-11 接受日期:2025-04-09 出版日期:2025-08-18 发布日期:2025-07-22
  • 通讯作者: *电子信箱: jfan@zju.edu.cn (范杰), xueshan199@163.com (邹世辉), 12037066@zju.edu.cn(陈旭涛).
  • 基金资助:
    国家重点研发项目(2022YFA1505500);国家自然科学基金(92045301);国家自然科学基金(91845203)

Selective coupling of methyl chloride to vinyl chloride over dispersed NaVO3

Liu Fangweia, Wei Kunkuna, Chen Youwena, Hu Jingboa, Wang Yuea, Liu Chengyuanc, Pan Yangc, Chen Xutaoa,*(), Zou Shihuib,*(), Fan Jiea,*()   

  1. aZhejiang Key Laboratory of Low-Carbon Synthesis of Value-Added Chemicals, Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China
    bCollege of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, Zhejiang, China
    cNational Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, Anhui, China
  • Received:2025-02-11 Accepted:2025-04-09 Online:2025-08-18 Published:2025-07-22
  • Contact: *E-mail: jfan@zju.edu.cn (J. Fan), xueshan199@163.com (S. Zou), 12037066@zju.edu.cn(X. Chen).
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2022YFA1505500);National Natural Science Foundation of China(92045301);National Natural Science Foundation of China(91845203)

摘要:

氯乙烯(C2H3Cl)作为聚氯乙烯的核心单体, 其生产技术革新对全球化工行业的可持续发展具有重要战略意义. 当前主流的氯乙烯生产工艺均以石油或煤基的C2烃为原料, 存在碳排放强度高、能源消耗大等问题. 近年来, 基于C1平台分子(如甲烷、氯甲烷等)的催化转化技术, 因其原料来源广泛且符合“碳达峰”和“碳中和”的战略需求, 已成为学术界与工业界共同关注的焦点. 利用重要的C1平台分子氯甲烷(CH3Cl)生产氯乙烯(即氯甲烷选择性偶联制氯乙烯, MCTV)是一条具有前景的非石油基氯乙烯生产新路线. 作为新兴的C1转化反应, 当前的MCTV过程面临的关键挑战在于如何发掘更多的氯甲基自由基(CH2Cl)表面偶联活性位点, 以及如何提升MCTV反应的关键性能指标.

本文通过简单的浸渍法, 在二氧化锆(ZrO2)和二氧化铈(CeO2)载体上负载了多种金属氧酸钠盐(NaxMOy, 其中M = Cr, Re, Ti, W, V, Nb, Mo), 并系统测试了其在MCTV反应中的催化性能. 结果表明, 高分散的NaVO3是一种新型高效的CH2Cl自由基表面偶联活性位点, 能够将氯甲烷高选择性偶联为氯乙烯. 其中, NaVO3/CeO2作为新型高效的MCTV催化剂, 在750 °C反应温度下实现了56.7%的C2H3Cl选择性和32.1%的C2H3Cl收率. X射线衍射、高角环形暗场扫描透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱及X射线精细结构吸收谱证实NaVO3/CeO2中的活性相为高度分散的NaVO3. 此外, 本文采用原位同步辐射紫外光电离质谱技术, 对MCTV反应过程中关键的自由基中间体及CH2Cl, C2H3Cl等代表产物的演变进行了原位探测, 进一步证实了高度分散的NaVO3是一种全新且高效的CH2Cl自由基表面偶联活性位点. 具体而言, NaVO3/CeO2催化剂对CH2Cl的反应效率高达90%, 并能将其高效、选择性地转化为C2H3Cl. 通过将催化剂对CH2Cl自由基的反应效率作为桥梁, 建立了催化剂表面NaVO3分散程度与其MCTV催化活性之间的内在关联, 阐明NaVO3的分散程度是影响催化剂是调控CH2Cl自由基反应效率和MCTV性能的关键因素. 本文强调了提高催化剂中金属氧酸盐活性位点的分散程度可以有效提升偶联催化剂对CH2Cl自由基的反应效率, 进而增强MCTV性能.

综上, 本文揭示了一种全新的金属氧酸盐偶联中心—NaVO3, 其能够选择性地将CH2Cl自由基转化为C2H3Cl, 这一发现是自由基可控转化领域的重要进展, 不仅深化了对金属氧酸盐催化剂偶联机制的理解, 也为设计并构建更高效的MCTV催化剂提供了科学指导.

关键词: 氯乙烯, 氯甲烷, ?CH2Cl自由基, 表面偶联, NaVO3

Abstract:

The production of C2H3Cl from CH3Cl (MCTV) represents a promising non-petroleum route for synthesizing C2 alkenes from C1 molecules. Exploration of new MCTV catalysts is crucial for advancing sustainable chemical production. In this study, we present NaVO3 as a surface-confined coupling center forCH2Cl radicals, demonstrating its superior performance in the selective coupling of methyl chloride to synthesize vinyl chloride. By incorporating NaVO3 onto the surface of CeO2, the catalyst enables effective capture of CH2Cl radicals during the CH3Cl oxidative pyrolysis and their subsequent conversion into C2H3Cl. We experimentally validate the capability of highly dispersed NaVO3 to controllably couple CH2Cl radicals through in-situ synchrotron-based vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry. The results demonstrate that the dispersion of NaVO3 on the catalyst surface has a considerable impact on the reaction efficiency of CH2Cl radicals and the overall MCTV performance. This discovery holds substantial implications for the controlled C1 radical transformation and provides a guidance for the design of catalysts for sustainable production of C2H3Cl.

Key words: Vinyl chloride, Methyl chloride, ?CH2Cl radicals, Surface coupling, NaVO3