纳米碳材料/碳化硅整体式催化剂的制备、修饰以及在烷烃脱氢反应中的应用研究

Presently, nanocarbon materials as catalysts have attracted a growing interest for researchers. Lots of studies indicated that nanocarbon materials present good activity, selectivity and stability in catalytic oxidative dehydrogenation of hydrocarbon reactions, and show great potential application of nanocarbon materials in chemical industry to replace traditional metal catalysts. So far, commercial nanocarbon materials (carbon nanotube and nanodiamond) have been usually produced in powder form. However, these powders are easily agglomerate and difficult to be filtrated, when they are employed as catalysts or supports for slurry phase operation. In addition, due to a high pressure drop, the powders are not facile to be directly used in fixed-bed reactors. In order to overcome these disadvantages, we focus on developing new process to prepare nanocarbon materials into larger objects. In this project, we employ porous silicon carbide as support, and try to prepare nanocarbon materials directly on the surface of porous silicon carbide, working as a monolith catalyst. Combining by studying the catalytic performance of monolith catalysts and using in-situ characterization methods, we try to explore the influences of structure, adulterate element to the catalytic performance of dehydrogenation of hydrocarbons. Hopefully, through the carrying out of this project, we can find a new way for catalytic dehydrogenation of alkanes over nanocarbon materials.

目前，纳米碳材料非金属催化烷烃脱氢已经成为研究的焦点。由于纳米碳材料具有较好的催化活性、选择性和长期稳定性等突出特点，体现出了可以替代传统过渡金属催化剂的巨大前景。然而目前商业化的纳米碳材料（纳米碳管、纳米金刚石）主要以粉体为主，在实际应用过程中面临难回收、重复利用率低、床层压力降大等问题，进而限制了纳米碳材料在烷烃脱氢领域的进一步规模化应用。为了解决这一问题，本项目以直接将纳米碳材料集成为整体式催化剂的思想为指导，利用多孔碳化硅为载体，以纳米碳管和纳米金刚石为重点研究对象，通过应用各种材料合成和改性手段，制备纳米碳材料和N、P、B掺杂的纳米碳材料/碳化硅整体式催化剂。在此基础之上考察整体式催化剂的结构、组成以及掺杂对烷烃脱氢反应的活性、选择性和稳定性的影响，最终实现纳米碳材料/碳化硅整体式催化剂的小试反应性能评价。希望通过本项目的实施为纳米碳材料在烷烃脱氢领域的应用开辟出一条新的途径。

低碳烷烃脱氢反应是合理利用低附加值的烷烃制备高附加值的烯烃的一条重要途径。该技术不仅可以充分利用廉价易得的低链烯烃资源，还可以减少烯烃生产过程中对化石燃料裂解的依赖，从而提高油气资源的综合利用水平。开发低成本、环保型的烷烃脱氢催化剂，实现烷烃的合理利用，有着迫切的市场需求。纳米碳材料是近年来在烷烃脱氢反应领域研究的热点之一。相比于传统的金属氧化物催化剂，纳米碳材料既可以在较低温度下实现烷烃氧化脱氢反应的高催化活性和选择性；也可以提高烷烃直接脱氢反应的活性且不易积碳，反应的过程中无需通入水蒸气，极大地提高了能源利用效率。.该项目主要开展整体式的功能性纳米碳材料在烷烃脱氢反应上的性能研究。以多孔碳化硅为催化剂载体，以纳米碳管和纳米金刚石为重点研究对象，采用氮、磷、氧等非金属杂原子修饰的方法成功的制备了复合型纳米碳/碳化硅整体式催化剂，能够更好的发挥碳基材料的利用效率同时便于工业运输以及降低固定床反应的床层压降。在该项目的执行过程中，开发了高效的纳米碳材料的表面处理手段，将臭氧-溶剂蒸汽（水、乙醇、双氧水等）作为氧化剂能够获得高效、特定官能团比例的功能纳米碳催化材料。通过对碳基催化材料的结构调控、孔结构的优化以及非金属杂原子（N掺杂，P掺杂以及N/P共掺杂等）修饰来对纳米碳材料表面物理化学结构调控，发展了高活性、高选择性的烷烃脱氢的整体式纳米碳基催化剂。项目将纳米碳基材料的表面修饰和杂化结构进行有机的耦合，为制备新型的纳米碳基催化剂发展了一种新思路，与此同时整体式催化剂成功研制也将进一步推动碳基催化剂工业应用的进程。