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盘点那些改变人类社会的工业催化剂

发布时间:2024-10-22 17:17:03人气:

前言:

   催化在人类文明进步与世界经济发展中扮演着非常重要的角色。它能够以一种高效,绿色和经济的方式将原材料转变为具有高附加值的化工产品和燃料等,因而被广泛应用于能源,化工,食品,医药,电子等各个领域。目前,全世界90%以上的化学生产过程都离不开催化。毫不夸张地说,催化领域的每一次重大突破,都极大地改变了人类的生产与生活方式。今天简单地盘点一些工业催化领域中重要的催化反应和催化剂,因内容较多,文章一共分为三部分,本文是第三部分。

   十二、均相催化(络合催化)

   均相催化的建立:1964年,英国化学家G. Wilkinson开发了一种RhCl(PPh3)3催化剂,在烷烃溶液中实现了烯烃的催化氢化,开启了络合催化的新时代。Wilkinson的贡献不仅在于建立了高效的均相催化体系,发现了络合催化剂设计的结构规律;他所创建的研究方法,所采用的有机膦配体等都直接影响了其后几十年的研究与工业开发。1973年,G. Wilkinson与E. Fischer共享了诺贝尔化学奖(对金属有机化合物化学性质的开创性研究)。

   不对称催化:1968年,美国孟山都公司的W.S.Knowles应用手性膦配体与金属铑形成的络合物为催化剂,在世界上第一个发明了不对称催化氢化反应,开创了均相不对称催化合成手性分子的先河。以这一反应为基础,20世纪70年代初Knowles在孟山都公司利用不对称氢化方法实现了工业合成治疗帕金森病的L-多巴这一手性药物。这不仅仅成为了世界上第一例手性合成工业化的例子,而且更重要的是成为了不对称催化合成手性分子的一面旗帜,极大地促进了这个研究领域的发展。1985年,日本科学家Noyori成功地合成了著名的BINAP双膦配体。双齿配体形成的催化剂由于强的刚性,使得反应光学选择性提高,尤其是具有C2对称轴可有效地减少过渡态的构象数量,使催化活性片段更加单一。1980年美国科学家Sharpless报道了用手性钛酸酯及过氧叔丁醇对烯丙基醇进行氧化,后在分子筛的存在下,利用四异丙基钛酸酯和酒石酸二乙酯(5~10 mol %)形成的络合物为催化剂对烯丙基醇进行氧化,实现了烯烃的不对称环氧化反应。在此后的将近10年时间里,从实验和理论两方面对这一反应进行了改进和完善,使之成为不对称合成研究领域的又一个里程碑。2001年,Knowles,Noyori和Sharpless共同获得了诺贝尔化学奖(对手性催化氢化/氧化反应的研究)。

   不对称合成目前在药物合成和天然产物全合成中都有十分重要的地位。当今世界常用的化学药物中手性药物占据了超过60%的比例。

   十三、三效催化剂(three way catalyst)——汽车尾气催化剂

   1974年,第一个空气清洁法在美国实施,当时只控制CO和HC,所采用的汽车尾气处理催化剂为Pt-Pd氧化型催化剂;后来随着光化学烟雾对空气的破坏越来越严重,NOx也成为了空气排放的重要指标。1989年,福特汽车公司首次在试验中将Pd/Rh催化剂作为三效催化剂的组成部分,同时对CO、HC、NOx三种有害物起催化净化作用.三效催化剂从此成为汽车尾气处理工业的经典催化剂。

   十四、甲醇制烃(分子筛催化剂)

   1975年,美国Mobil石油公司成功开发了一系列高硅铝比的沸石分子筛,命名为Zeolite Socony Mobil(ZSM)。其中ZSM-5可使甲醇全部转化为各种烃类物质,尤其对高辛烷值汽油具有优良的选择性。1979年,新西兰政府利用天然气建成了全球首套MTG(methanol to gasoline)装置,其能力为75万吨/年。此后,取得突破性进展的是UOP和Norsk Hydro两公司合作开发的以UOP MTO-100为催化剂的UOP/Hydro的MTO工艺。

   备注:国内,由刘中民院士等领导的甲醇制烯烃国家工程实验室在甲醇制烯烃领域取得了一系列成果,开发了DMTO工艺,并成功投产。DMTO工业化技术研发成功,对于减少我国石油进口、开辟我国烯烃产业新途径具有重要意义。同时,这也标志着我国甲醇加工能力将由万吨级装置一举跨越到百万吨级大型装置。DMTO成套技术的开发与应用,无论从经济上还是战略上对我国发展新型煤化工产业、实现“石油替代”的能源战略都具有极其重要的意义。2010年甲醇制烯烃国家工程实验室与合作单位研发的具有自主知识产权的DMTO技术成功应用于世界首套煤制烯烃工业项目、国家示范工程神华包头年产180万吨甲醇制取年产60万吨烯烃装置,技术指标达到国际领先水平。目前DMTO技术已实现技术实施许可1313万吨烯烃/年,已投产646万吨烯烃/年。

   十五、SCR反应(Selective Catalytic Reduction)

   20世纪80年代开始,日本日挥株式会社(JGC Co.)等开发了钒基选择性催化还原脱硝催化剂,并逐步发展成为目前成熟的工业化催化剂(V2O5-WO3(MoO3)/TiO2系列),在电厂脱硝中有着非常广泛的应用。目前,开发高效率、低成本的烟气脱硝催化剂仍然是研究的热点之一。

   十六、其它工业催化剂

   1977年左右,荷兰壳牌石油公司等开发了Ni/膦螯合物,实现了a-烯烃的生产,开创了合成油工业。

   1983年左右,意大利的Enichem公司开发了钛硅分子筛TS-1,后应用于烯烃的环氧化、环己酮的氨氧化、醇类的氧化、饱和烃的氧化和芳烃(苯酚及苯)的羟基化等领域。

   1984年左右,Ruhrchemie公司采用的水溶性铑催化剂(磺化的膦的碱金属盐作为配体)实现了低碳烯烃的氢甲酰化;20世纪90年代,Davy公司和Dow公司联合开发出了铑-双亚磷酸酯为催化剂的丙烯羰基化工艺,随后三菱公司也开发了类似的催化剂,该工艺是目前世界上最先进的工艺。氢甲酰化反应是用烯烃生产高碳醛和醇的经典方法,在工业上有着重要应用。

   1985年德国汉堡大学的W.Kaminsky利用茂金属催化剂合成等规聚丙烯(iPP),使茂金属催化剂真正具有了应用价值。1991年,Exxon 公司首次将茂金属催化剂应用于工业生产。茂金属催化体系目前已经广泛用于聚烯烃的生产,用茂金属催化体系生产出来的聚烯烃,不仅改善了聚烯烃制品的机械性能、热性能、透明性等综合性能,也极大地拓展了聚烯烃的应用范围,这种新的催化体系对聚烯烃领域产生巨大影响。


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