[发明专利]一种电催化乙炔加氢反应方法

说明书

本申请公开了一种电催化乙炔加氢反应的方法，所述方法包括：注入原料气：将含乙炔的气体原料气通入通过工作电极与电化学装置分隔的乙炔气室中；电催化乙炔加氢反应：接通电源，使电化学装置工作发生电解反应，以使扩散至工作电极的含乙炔的气体进行电催化乙炔加氢反应，使乙炔还原为乙烯。根据本发明，能够在低温下高活性、高转化率、高选择性地将乙炔电催化转化为乙烯，能够为电催化乙炔加氢的大规模应用创造基本条件，并有望替代现有热催化乙炔加氢化工过程，促进聚乙烯工业生产的绿色可持续发展。

技术领域

本发明涉及催化加氢反应领域，具体涉及一种电催化乙炔加氢反应方法。

背景技术

乙烯(C₂H₄)的工业生产依赖于石脑油或饱和碳2-碳6烃的热解。然而，在热解衍生的乙烯产物物流中会残留0.5-2.0％(体积分数)的乙炔(C₂H₂)。该杂质会严重毒化后续用于聚乙烯合成的齐格勒-纳塔催化剂(A.Borodziński,G.C.Bond,Catal.Rev.48,91-144(2006))，导致生产成本升高、产品质量下降。因此，如何有效地从富含乙烯的气流中选择性地去除乙炔，使乙烯纯度达到聚合物生产级别，具有重要的现实意义。经过近百年的研究，相继发展出了溶剂吸收及催化加氢等技术路线。

自1950年代以来，将C₂H₂选择性催化加氢为C₂H₄的方法已成为脱除乙炔的更有效方法(图1，路线1)(T.Kenzi,Bull.Chem.Soc.Japan 23,180-184(1950))。商用钯基催化剂在200℃下，以氢气为质子源，可实现大于90％的C₂H₂转化率和85％的乙烯选择性(M.Armbruster et al.,Nat.Mater.11,690-693(2012))，C₂H₂在钯基催化剂上的氢化反应机理也得到了系统地研究。现有很多研究期望开发良好的用于乙炔选择性加氢的催化剂，例如CN102247876A，其研究了一种用于乙炔选择性加氢的磷化钼催化剂，使得在常压以及200-240℃下能够以高的乙炔转化率实现乙炔的选择性催化加氢。近年来，更多注意力转移到了如何进一步降低催化反应的温度(Q.Feng et al.,J.Am.Chem.Soc.139,7294-7301(2017)；S.Zhou et al.,Adv.Mater.31,e1900509(2019)；Q.Feng et al.,Adv.Mater.31,e1901024(2019))。CN108147938公开了一种常压下乙炔选择性氢化到乙烯的方法，其采用特定的Pd_xM/SiO₂型催化剂，可以实现在50-300℃下乙炔的选择性加氢。然而，在更低温度(例如室温)条件下实现C₂H₂的高转化率、高选择性氢化制C₂H₄，仍面临巨大挑战。

此外，目前开发的实验室和工业规模的C₂H₂加氢反应系统都需要在反应过程中引入过量的氢气以促进C₂H₂的加氢转化。但是这种方法会不可避免地导致C₂H₄过度加氢生成乙烷(C₂H₆)，造成大量C₂H₄原料的浪费，增加了经济成本(A.Sárkány,A.Horváth,A.Beck,Appl.Catal.A-Gen.229,117-125(2002))。以50万吨/年乙烯生产线为例：根据乙烯市场价格7000元/吨，年产值约35亿；热催化加氢通常会造成2-3％的乙烯损耗(过度加氢至乙烷)，因此带来约1亿元损失。若采用最先进的进口催化剂(CLARIANT260)可将损耗降至接近0％，但催化剂成本高。因此，无论从能量和原子利用的角度来看，都有必要创新乙炔加氢反应系统及方法，以在低温下实现乙炔向乙烯的高效转化。