高效負載型催化劑及綠色催化新技術

李殿卿

(北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029)

高效負載型催化劑及綠色催化新技術

李殿卿

(北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029)

項目意義：

我國是基礎化學品和關鍵原料生產大國，基礎化學品和關鍵原料制造業已成為國民經濟的支柱產業之一，但從技術水平、環境效益和經濟效益進行分析，與國外先進水平相比存在明顯差距。基礎化學品和關鍵原料按產品噸位計算的60%和按化工過程數量計算的90%與催化有關，沒有催化技術就沒有現代基礎化學品和關鍵原料制造行業。為了趕超國際先進水平，選擇技術水平低、在行業極具代表性的典型化學品，突破共性催化技術，迅速提升制造技術水平，滿足國家重大需求具有重要意義。

過氧化氫、氯乙烯、己二腈和 2,3,5-三甲基氫醌是重要的基礎化學品和關鍵原料，具有很高的產業關聯度，年直接經濟效益大于 900億元，關聯經濟效益數以千億計。我國過氧化氫的消耗量超過10 Mt·a-1(按 27.5%計)，受催化技術的制約，工藝技術落后、能耗高和原料消耗嚴重，技術水平與國外差距巨大。氯乙烯作為聚氯乙烯的原料，我國總需求量大于16 Mt·a-1，其中采用含汞催化劑的電石乙炔法產量超過13 Mt·a-1，污染嚴重，在聯合國發布 2020年前禁汞的《水俁公約》后，行業發展面臨滅頂之災。己二腈是合成尼龍66樹脂的原料，我國年需求量500 kt·a-1，長期依賴進口，其生產技術和產品定價權長期被國外公司壟斷，實現己二腈制造技術國產化是幾代從業人的夢想。2,3,5-三甲基氫醌是合成維生素E和高端聚苯醚以及環氧樹脂材料的原料，附加值很高，國內年需求量超過100 kt·a-1，其合成原料長期依賴進口，且存在工藝步驟多、產品收率低以及環境污染嚴重等問題，開發2,3,5-三甲基氫醌的高效、清潔合成新工藝是當務之急。

項目總體目標：

通過分析發現，突破過氧化氫、氯乙烯、己二腈和2,3,5-三甲基氫醌等的新型催化合成技術是形成高效、綠色制造新工藝和先進產業化技術的關鍵，因此，進一步明確項目的總體實施目標：通過“高效負載型催化劑及綠色催化新技術”國家重點研究計劃項目(2016YFB0301600)研究，實現系列新型負載型催化劑創新，突破無毒化、貴金屬高效利用和替代的催化技術；開發過氧化氫、氯乙烯、己二腈和2,3,5-三甲基氫醌合成新型催化劑放大和應用技術；形成綠色制造新工藝和產業化技術，實現4種典型化學品和關鍵原料的制造水平從跟跑到并跑和領跑的飛躍。

項目關鍵科學和技術問題：

負載型催化劑活性位精細結構及其限域及穩定分布的調控機制；催化劑多級結構對4種化學品和關鍵原料合成的影響機制及協同調控新途徑；催化劑無毒化、貴金屬高效利用與替代、制備放大和應用關鍵技術。

項目主要研究內容：

(1) 揭示負載型催化劑活性位精細結構對反應轉化率和選擇性的影響規律。

(2) 通過催化劑活性中心設計及多級結構協同調控，創制4種典型化學品和關鍵原料綠色制造的新型催化劑。

(3) 構建新型反應器等關鍵裝備，形成綠色制造新工藝。

(4) 完成工業示范，引領化學品和關鍵原料制造技術的發展。

預期效益：

我國是世界上蒽醌法過氧化氫第一生產大國，蒽醌加氫催化劑的年消耗量超過1 kt，并且為了蒽醌降解物的再生，每年還消耗50 kt以上寶貴的氧化鋁資源。新型蒽醌加氫Pd催化劑的創新和應用，可提高反應效率30%以上，從而降低制造成本，實現節能減排。以新型固體堿催化劑代替堿性活性氧化鋁，不僅可以提高20%以上的蒽醌降解物再生活性，而且壽命延長1.5倍，每年可節約30 kt氧化鋁資源。通過項目實施，將創立我國具有自主知識產權的漿態床過氧化氫生產新工藝和固定床強化新工藝，建立年產100 kt及以上級示范裝置2套，打破國外技術壟斷，大幅度提高我國過氧化氫制造技術水平。

我國電石乙炔法氯乙烯年產量為13.5 Mt，總產能超過24 Mt，汞催化劑的年消耗量超過600 t，造成嚴重且難以修復的環境污染。項目將開發全新結構的無汞催化劑和氯乙烯合成成套綠色技術，建立萬噸級示范裝置，完成產業化示范。項目實施不僅可以杜絕汞污染的發生，而且有助于大幅度提升乙炔氫氯化反應效率，增加企業競爭力和經濟效益。另外，在“一帶一路”宏觀經濟戰略引領下，可為分布于我國西北地區的氯乙烯制造企業的轉型和轉移過剩產能尋找新的出路。

項目實施將突破丁二烯氫氰化和異構化鎳-膦催化劑關鍵技術，形成自主知識產權的己二腈綠色制造新工藝，通過50 kt·a-1己二腈產業化示范孵化成套產業化技術，不僅可以徹底改變我國己二腈長期依賴進口的局面，提升我國尼龍66合成等產業的市場競爭力，而且在全行業推廣后可以產生超過60億元的直接經濟產值，關聯經濟效益不可估量。

本項目與煤化工緊密銜接，創制2,3,6-三甲基苯酚的新型氧化催化劑和2,3,5-三甲基苯醌生成2,3,5-三甲基氫醌的新型加氫催化劑，實現產品制備過程的近零排放，構筑自主知識產權的工藝技術體系。建成2,3,5-三甲基氫醌10 kt·a-1工業示范裝置，每年可新創產值5億元，同時減少MnO2和H2SO4的消耗和MnSO4等廢渣的排放。新技術推廣后可帶動煤化工、精細化工、高分子材料和醫藥合成產業的技術升級，社會效益顯著。

國家重點研發計劃項目介紹

李殿卿，1962年生，男，博士，教授，博士研究生導師，享受政府特殊津貼專家,作為課題負責人承擔國家自然科學基金重點計劃、國家重點研發計劃、國家科技支撐計劃等省部級以上課題50余項,發表SCI、EI收錄論文150余篇，獲美國專利授權3項、中國專利授權45項,以第一完成人獲國家技術發明二等獎1項，北京市科學技術二等獎1項，國家石油和化學工業局科技進步二等獎1項,以第二完成人獲國家技術發明二等獎1項，北京市科技學技術一等獎1項。