1,3-丁二烯选择性加氢催化剂的设计策略以及构效关系

催化裂化是石油化工的核心单元之一.从催化裂化尾气中分离出来的碳四馏分富含许多的不饱和烯烃,如1-丁烯、顺、反式-2-丁烯以及少量的1,3-丁二烯,这些不饱和烯烃可以通过后续聚合反应,生成合成橡胶和工程塑料的重要原料,具有重要的应用价值.上述工艺过程对原料中1,3-丁二烯的含量(<100~200 ppm)有严苛的要求.采用选择性加氢技术对碳四馏分中的1,3-丁二烯进行选择性加氢,将其转化为更高附加值的单烯烃是一个理想的解决方案.然而,1,3-丁二烯加氢反应得到的单烯烃可能发生深度加氢得到副产物丁烷.因此,开发高效选择性加氢催化剂对碳四资源的利用具有重要的现实意义.另一方面,1,3-丁二烯加氢反应可以作为模型反应,用来考察选择性加氢催化剂的性能.基于此,该反应无论在工业界还是学术界均受到广泛关注.尽管如此,有关1,3-丁二烯加氢催化剂研究进展方面的综述极少.仅有关于1,3-丁二烯加氢作为模型反应的综述报道.本文对过去半个世纪以来1,3-丁二烯加氢反应中不同催化剂的发展历程进行系统综述,特别是包括Pd,Pt和Au等的单一贵金属催化剂.重点介绍以下内容:(1)固体催化剂构效关系,包括活性金属尺寸效应、晶面和形貌效应以及载体效应(晶相、孔道和酸碱性);(2)高性能催化剂的设计新策略,如单原子催化剂、核壳结构催化剂、金属-离子液复合催化体系以及载体的形貌调控;(3)催化剂的反应机理和失活机理.提出了1,3-丁二烯选择性加氢高性能催化剂开发面临的挑战,并对潜在的发展方向进行了展望.本文认为随着纳米技术和金属纳米材料合成方法的快速发展,对贵金属活性组分进行原子层面上的调控(包括形貌、尺寸以及单原子配位环境等)已成为可能.这将有助于研制出一类新型高性能选择性加氢催化材料,从而实现高转化率条件下高附加值单烯烃的定向转化.此外,载体的酸碱性和孔道结构的调控有助于进一步调节催化剂的抗积炭性能,也是未来发展的一个重要方向.

Design strategies and structure‐performance relationships of heterogeneous catalysts for selective hydrogenation of 1,3‐butadiene

Selective hydrogenation of 1,3‐butadiene is an essential process in the upgrading of the crude C4 cut from the petroleum chemical sector.Catalyst design is crucial to achieve a virtually alkadiene‐free product while avoiding over‐hydrogenating valuable olefins.In addition to the great industrial relevance,this demanding selectivity pattern renders 1,3‐butadiene hydrogenation a widely used model reaction to discriminate selective hydrogenation catalysts in academia.Nonetheless,critical reviews on the catalyst development are extremely lacking in literature.In this review,we aim to provide the reader an in‐depth overview of different catalyst families,particularly the precious metal‐based monometallic catalysts(Pd,Pt,and Au),developed in the last half century.The emphasis is placed on the development of new strategies to design high‐performance architectures,the establishment of structure‐performance relationships,and the reaction and deactivation mechanisms.Thrilling directions for future optimization of catalyst formulations and engineering aspect are also provided.