一种氟化镁催化剂、其制备方法及应用与流程

本发明涉及一种用于催化反应的金属氟化物催化剂，特别是涉及一种高比表面积的氟化镁催化剂。

背景技术：

氟化镁具有特殊结构和优异性能，抗腐蚀性强、结构稳定，可应用在条件苛刻的催化反应。当用于催化反应时，现有技术认为氟化镁催化剂的比表面积对于反应的影响较大。常规方法制备的氟化镁比表面积低通常低于44m²/g，为提供氟化镁的比表面积，现有技术做了如下努力：

中国专利CN104071814A公开一种高比表面积氟化镁的制备方法，镁源水溶液(如乙酸镁Mg(CH₃COOH)₂)和氟源水溶液(如NH₄F溶液)混合并加入选自蔗糖、葡萄糖和聚乙烯醇中一种或几种混合物进行反应，再在含氧气气氛中高温脱除碳得到氟化镁产品。实施例制备的氟化镁催化剂的比表面积为93～233m²/g。此专利仅公开了氟化镁催化剂的制备方法及其比表面积，未给出所述氟化镁催化剂在脱卤化氢反应、氟氯交换反应、歧化反应或氢氟化反应中的应用实施方式及效果。

欧洲专利EP1440939A1公开了一种采用溶胶-凝胶法制备无定型高比表面积氟化镁的方法，先将一定量的甲醇镁溶解在异丙醇中，将加入一定比例的无水HF反应，然后干燥处理得到氟化镁前驱体，再用氟化试剂在一定温度下处理，得到氟化镁催化剂。实施例制备的氟化镁催化剂的比表面积为190m²/g。此专利仅公开了氟化镁催化剂的制备方法及其比表面积，未给出所述氟化镁催化剂在脱卤化氢反应、氟氯交换反应、歧化反应或氢氟化反应中的应用实施方式及效果。

因此，仍有希望对氟化镁催化剂做进一步改进。

技术实现要素：

本申请发明人在氟化镁催化剂研制过程中发现，不仅氟化镁催化剂的比表面积影响其用于催化反应的实施效果，而且氟化镁催化剂的碳含量也同样的影响其用于催化反应的实施效果。

为此，本发明提供一种氟化镁催化剂，所述氟化镁催化剂的含碳量低于10％，比表面积大于130m²/g。

本发明所述的氟化镁催化剂，其含碳量，即质量含量应当低于10％。优选的是，所述氟化镁催化剂的含碳量低于7％。

本发明所述的氟化镁催化剂，其比表面积大于130m²/g。优选的是，比表面积为130～270m²/g。

本发明所述的氟化镁催化剂，其孔径大于优选的是，孔径为

本发明所述的氟化镁催化剂，其孔容大于0.2cm³。优选的是，孔容为0.25～0.45cm³。

本发明还提供了上述氟化镁催化剂的制备方法，包括：

(1)使HF的乙醚和/或醇溶液与有机镁溶液接触，反应后得到的反应产物经干燥后得到催化剂前驱体；

所述有机镁溶液含有镁盐和有机溶剂；

所述镁盐选自二卤化镁、C₁-C₄烷基镁、芳基镁、C₁-C₄脂肪醇镁盐、芳香醇镁盐、C₁-C₄脂肪酸镁盐中的一种、两种或三种以上组合；

所述有机溶剂选自C₁-₄醇、C₁-₄酯、C₁-₄胺、苯、C₁-₄烷基取代的苯中的一种、两种或三种以上组合；

所述有机镁盐溶液中，镁盐的摩尔浓度为0.05～5mol/L；

(2)将催化剂前驱体经氟化处理后得到高比表面积的氟化镁催化剂。

本发明所述氟化镁催化剂的制备方法中，使用的HF的乙醚和/或醇溶液包括HF的乙醚溶液、HF的醇溶液和HF的乙醚和醇溶液。HF优选为无水HF。使用的醇，优选自甲醇、乙醇和异丙醇中的一种、两种或三种。

本发明所述氟化镁催化剂的制备方法中，使用的有机镁溶液含有镁盐和有机溶剂。其中：(1)镁盐选自二卤化镁、C₁-C₄烷基镁、芳基镁、C₁-C₄脂肪醇镁盐、芳香醇镁盐、C₁-C₄脂肪酸镁盐中的一种、两种或三种以上组合。优选的是，所述镁盐选自氯化镁、甲基镁、乙基镁、甲酸镁、乙酸镁、草酸镁、甲醇镁、乙醇镁、异丙醇镁、丁醇镁、异丁醇镁、叔丁醇镁中的一种、两种或三种以上组合。进一步优选的是，所述镁盐选自甲醇镁、乙醇镁、乙酸镁、异丙醇镁中的一种、两种或三种以上组合；

(2)有机溶剂选自C₁-₄醇、C₁-₄酯、C₁-₄胺、苯、C₁-₄烷基取代的苯中的一种、两种或三种以上组合。优选的是，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、苯、甲苯和二甲苯中的一种、两种或三种以上组合。进一步优选的是，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇和甲苯中的一种、两种或三种以上组合；

(3)有机镁溶液中，镁盐的摩尔浓度为0.05～5mol/L。优选的是，镁盐的摩尔浓度为0.6～3.0mol/L。进一步优选的是，镁盐的摩尔浓度1.0～2.0mol/L。

本发明所述氟化镁催化剂的制备方法中，镁盐与HF的摩尔配比为1.0～3.0:1。优选的是，镁盐与HF的摩尔配比为1.6～2.0:1。

本发明同时还提供了所述氟化镁催化剂的氟化处理方法，将上述步骤(2)中的催化剂前驱体进行三段式氟化法的氟化处理，包括以下步骤：

(1)开始升温阶段：在惰性气体气氛中，或在惰性气体与氢氟烃和/或氢氯氟烃混合气体气氛中，温度保持在室温～200℃；

(2)快速升温阶段：在惰性气体与氢氟烃和/或氢氯氟烃混合气体气氛中，以0.05～2℃/min的速率升温至160～350℃；

(3)保温阶段：继续升温，使温度在160～350℃保温2～8小时,所述惰性气体与氢氟烃和/或氢氯氟烃混合气体的流量之比为1～8:1。

上述氟化镁催化剂的氟化处理方法中，优选的是，所述步骤(2)中以0.10～1.50℃/min的速率升温至180℃～300℃。同样优选的是，所述步骤(3)中惰性气体与氢氟烃和/或氢氯氟烃混合气体的流量比选为3～6:1。

通过将催化剂前驱体进行氟化处理，使催化剂前驱体中残留的有机官能团尽可能多的被F原子取代，并且使催化剂保持无定型状态或较低结晶度的状态。氟化处理过程可进一步减少催化剂中的含碳量，以及使催化剂拥有较大比表面积，增大反应物与活性中心的有效接触面，促进反应进行。

本发明提供氟化镁催化剂，适合用于脱卤化氢反应、氟氯交换反应、歧化反应或氢氟化反应。特别适合用于2-氯-1,1,1,2-四氟丙烷脱氯化氢反应、二氟二氯甲烷的歧化反应、1,1,2,2-四氯乙烷的氟氯交换反应。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

氟化镁催化剂不仅比表面积高、孔径和孔容适宜，而且含碳量低，在被用于脱卤化氢反应、氟氯交换反应、歧化反应或氢氟化反应时，不仅催化活性高，而且稳定性强。此外所述氟化镁催化剂的制备工艺简单、安全性高。

附图说明

图1为实施例6制得的催化剂前驱体MgF₂-6的XRD谱图。

图2为实施例8制得的制得的催化剂MgF₂-6-1的XRD谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

一、催化剂前驱体的制备

实施例1

取82.68g乙醇镁溶于570ml异丙醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有31.79g无水HF的HF-Et₂O(乙醚)溶液加入上述镁-醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-1。

实施例2

取82.68g异丙醇镁溶于600ml甲苯中，搅拌使其混合均匀，形成镁-苯溶液。室温下，将溶有25.53g无水HF的HF-Et₂O溶液加入上述镁-苯溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，再放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-2。

实施例3

取82.68g乙酸镁溶于600ml甲醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有25.55g无水HF的HF-CH₃OH(甲醇)溶液加入上述镁醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，再放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-3。

实施例4

取82.68g甲醇镁溶于560ml乙醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有42.12g无水HF的HF-Et₂O溶液加入上述镁醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，放入真空烘箱干燥后，即得催化剂驱体，记为MgF₂-4。

实施例5

取82.68g乙醇镁溶于600ml甲醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有31.82g无水HF的HF-Et₂O(乙醚)溶液加入上述镁醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，再放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-5。

实施例6

取82.68g乙醇镁溶于600ml甲醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有23.37g无水HF的HF-CH₃OH溶液加入上述镁-醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-6。

制得的催化剂前驱体MgF₂-6的XRD谱图如附图1。

实施例7

取82.68g乙醇镁溶于600ml甲醇中，搅拌使其混合均匀，形成镁-醇溶液。室温下，将溶有26.01g无水HF的HF-Et₂O溶液加入上述镁-醇溶液中，剧烈搅拌，反应20小时后停止搅拌。利用真空旋转蒸发仪将产物中的易挥发组分除去，放入真空烘箱干燥后，即得催化剂前驱体，记为MgF₂-7。

通过BET等温氮气吸脱附测定制得的催化剂前驱体的比表面积，如表1所示。

表1、催化剂前驱体的比表面积、孔容和孔径

二、催化剂前驱体的氟化处理

以下实施例8-11选择R22(二氟一氯甲烷)为氟化试剂，利用本发明所特有的三段式氟化法对上述实施例催化剂前驱体进行氟化可得到高比表氟化镁催化剂。其反应过程可用式(2)表示：

MgR_2-xF_x+CHClF₂→MgF₂+COCl₂+CCl₄/CClF₃ (2)

实施例8

取20ml实施例6成型后的氟化镁前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至150℃，保持2小时。然后通入R22与N₂的混合气体，以0.17℃/min的速率升温至220℃，到达目标温度后，在(16％)R22/(64％)N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-1。

制得的催化剂MgF₂-6-1的XRD谱图如附图2。

实施例9

取20ml实施例6成型后的氟化镁前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至150℃，保持2小时。然后通入R22与N₂的混合气体，以0.50℃/min的速率升温至270℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-2。

实施例10

取20ml实施例6成型后的氟化镁前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至150℃，保持2小时。然后通入R22与N₂的混合气体，以0.17℃/min的速率升温至270℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-3。

实施例11

取20ml实施例6成型后的氟化镁前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至130℃，保持2小时。然后通入R22与N₂的混合气体，以0.17℃/min的速率升温至200℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-4。

实施例12

取20ml实施例6成型后的氟化镁前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至130℃，保持2小时。然后通入R22与N₂的混合气体，以0.17℃/min的速率升温至180℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-5。

实施例13

取20ml实施例6成型后的催化剂前驱体MgF₂-6与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至130℃，保持2小时，以0.17℃/min的速率升温至160℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-6-6。

实施例14

取20ml实施例5成型后的催化剂前驱体MgF₂-5与瓷环混合后置于管式反应器中，首先在N₂气氛下，升温至120℃，保持2小时，以0.20℃/min的速率升温至145℃，到达目标温度后，在16％R22/64％N₂气氛中保持4小时。记为MgF₂-5-1，所测催化剂比表面积为321m²/g，含碳量为16.53％，孔容0.2321cm³，孔径

实施例6条件制备的氟化镁前驱体中，含碳量为约15重量％～约18重量％。实施例8-14通过不同条件氟化处理后得到的氟化镁催化剂样品的比表面积和含碳量如表2所示。

表2、氟化镁催化剂的含碳量和比表面积

三、催化剂的应用

实施例15

将实施例10～14所制备的高比表面积氟化镁催化剂压片成型，规格为将成型的催化剂装入镍合金管()固定床反应器的中部，具体填装过程为：向量筒中缓慢垂直加入50ml实施例10～14中任意一种氟化镁催化剂，然后再将量筒中的氟化镁垂直加入到反应器中，连接好反应器。

在开始反应前，先将催化剂在400℃的氮气气氛中焙烧两小时，对催化剂进行干燥，再通入N₂与HCFC-244bb(2-氯-1,1,1,2-四氟丙烷)的混合气体，控制N₂与HCFC-244bb的流量 比3:2，空速60h^-1，反应温度400℃～450℃，反应时间24小时，反应完后的气体混合物通过45℃的碱水壶，然后用气相色谱分析产物的组成，结果见表3。

表3、氟化镁催化剂用于HCFC-244bb脱氯化氢反应的结果