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负载纳米金催化剂：环氧丙烷异构化与气相丙烯环氧化的关键驱动

一、引言

1.1研究背景与意义

在化工产业的庞大体系中，碳氢化合物的选择性氧化反应始终占据着举足轻重的地位，其产物涵盖了环氧化物、酮、醛、醇和酸等一系列功能性有机化合物，这些产物作为关键中间体，广泛应用于聚合物、表面活性剂、洗涤剂、化妆品等众多领域，与人们的日常生活和工业生产紧密相连。传统的碳氢化合物氧化过程往往依赖于危险的氯气或昂贵的有机过氧化物作为氧化剂，这不仅带来了严重的环境风险，还大幅增加了生产成本。因此，开发一种以氧气或空气为氧化剂的绿色、高效的选择性氧化技术，成为了当前化工领域实现可持续发展的关键挑战。

环氧丙烷（PO）作为一种极为重要的有机化工原料，在化工产品中有着广泛应用，主要用于生产聚醚多元醇、丙二醇及丙二醇醚等，由它衍生出的下游产品数量庞大且应用广泛，是仅次于聚丙烯和丙烯腈的第三大丙烯衍生物。随着聚氨酯、丙二醇等下游产业的蓬勃发展，市场对环氧丙烷的需求持续攀升，推动着环氧丙烷生产技术的不断革新。

当前，工业上生产环氧丙烷的主要方法有氯醇法和共氧化法。氯醇法虽然工艺成熟，但需使用大量剧毒的氯化试剂，不仅极易腐蚀设备，还会产生大量难以处理的废水和氯化副产物，严重违背了绿色化学的理念和可持续发展的要求。共氧化法虽在一定程度上解决了氯醇法的污染问题，但其在生产环氧丙烷的同时，会联产大量的苯乙烯/叔丁醇等副产品，这不仅对产物的分离和提纯提出了更高的要求，也在很大程度上制约了该工艺的经济性和灵活性。为了克服这些传统工艺的弊端，以过氧化氢为氧化剂的H?O?液相环氧化工艺（HPPO法）应运而生。HPPO法具有反应条件温和、环境友好、对产物选择性高等显著优点，被认为是一种极具潜力的替代工艺。然而，过氧化氢的高昂价格、苛刻的储存运输条件以及使用量较大等问题，使得HPPO法的工业化生产面临诸多挑战，必须配套H?O?合成装置，这在一定程度上限制了其工艺布局和大规模应用。

在此背景下，丙烯气相直接环氧化制备环氧丙烷工艺因其独特的优势受到了研究人员的高度关注。该工艺采用氢气和氧气作为原料，在催化剂的作用下原位合成过氧化氢，进而将丙烯氧化为环氧丙烷。气相环氧化工艺属于气固两相反应，具有操作简便、产物易分离、经济性高、过程绿色环保等显著优点，有望成为解决环氧丙烷生产难题的关键技术。而负载纳米金催化剂在这一反应中展现出了独特的性能，成为了研究的热点。

负载纳米金催化剂之所以备受瞩目，是因为其在氢气和氧气共存条件下，对丙烯气相环氧化反应表现出极高的选择性。纳米金粒子的特殊尺寸效应和表面效应，使其能够有效地催化氢气和氧气生成过氧化氢，同时与载体之间的协同作用，进一步促进了丙烯的环氧化反应。日本产业技术综合研究所（AIST，Japan）的Haruta等人开发的纳米金催化剂，在丙烯气相环氧化反应中取得了令人瞩目的成果，引发了催化界和产业界的广泛关注。此后，众多研究围绕着负载纳米金催化剂展开，旨在深入探究其催化性能、优化制备方法、揭示反应机理，以实现丙烯转化率和环氧丙烷选择性的进一步提高。

本研究聚焦于负载纳米金催化剂在环氧丙烷异构化及气相丙烯环氧化中的应用，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入研究负载纳米金催化剂的结构与性能关系、催化反应机理，有助于揭示纳米尺度下催化过程的本质规律，丰富和完善催化理论体系，为新型高效催化剂的设计和开发提供坚实的理论基础。在实际应用方面，通过优化负载纳米金催化剂的性能，提高丙烯气相环氧化反应的效率和选择性，有望推动丙烯气相环氧化工艺的工业化进程，实现环氧丙烷的绿色、高效生产，从而降低生产成本，减少环境污染，提升化工产业的整体竞争力，为化工产业的可持续发展注入新的活力。这不仅对环氧丙烷生产企业具有重要的经济意义，也对整个化工行业的绿色转型和可持续发展具有深远的影响，符合当今社会对环境保护和资源合理利用的迫切需求。

1.2国内外研究现状

负载纳米金催化剂在环氧丙烷异构化及气相丙烯环氧化领域的研究是当前催化化学领域的重要课题，国内外众多科研团队围绕这一主题展开了广泛而深入的探索，取得了一系列具有重要价值的研究成果。

在环氧丙烷异构化反应方面，国内外研究主要聚焦于开发高活性和高选择性的负载纳米金催化剂，以实现环氧丙烷向附加值更高的产物转化。美国的研究团队通过将纳米金负载在具有特定孔结构和酸性的分子筛载体上，利用分子筛的择形催化作用和纳米金的独特催化活性，成功提高了环氧丙烷异构化反应的选择性，使其能够更高效地转化为目标产物。欧洲的科研人员则致力于研究纳米金与载体之间的相互作用对催化性能的影响，通过调控载体的表面性质和纳米金的负载方式，增强了催化剂的稳定性和活性，为环氧丙烷异构化反应的工业化应用提供了新的思路。国内的科研机构