高性能石油焦基多孔炭的构建及其催化、抗氧化性能研究

以来源丰富的石油炼制副产品石油焦为原料，通过选用不同活化介质和改变环境气氛，借助微波辐射与电炉加热两种方式构建多孔炭；研究石油焦组成、灰分及微观晶体结构，解析不同活化介质和环境气氛在控制多孔炭微观结构、提高多孔炭收率上的协同效应，阐明不同石油焦原料、活化介质、环境气氛、加热方式对多孔炭微观结构的作用机制；利用高压微反研究多孔炭的催化性能，通过渗硼提高多孔炭的抗氧化性，旨在提高多孔炭用作催化剂时的使用寿命，探讨渗硼对多孔炭催化性能的影响。采用智能重量分析仪考察渗硼前后多孔炭比表面积、孔分布及分形参数的变化，解析渗硼对多孔炭孔径分布和分形参数的影响。采用高分辨电镜观察多孔炭表面形貌、分形特征及微观结构，研究渗硼提高多孔炭抗氧化性能机理。从物理化学的角度，借助于分形理论，研究原料石油焦物化性能、多孔炭微观结构、催化性能与抗氧化性能的内在关系，为低成本、耐氧化、高效能碳质催化剂制备提供理论支持。

随着原油的重质化的不断加深，石油焦等重质油的高附加值是急需解决的重大问题。碳质催化剂因具有孔隙丰富、化学性质稳定等优势，是一种很有应用前景的催化剂，但其较低的活性、抗氧化性差等制约了其实际应用。本项目利用以来源丰富的石油炼制副产品大庆和胜利石油焦为原料，通过选用不同活化介质，借助微波辐射与电炉加热两种方式构建多孔炭；研究了石油焦组成、灰分及微观晶体结构，解析了不同活化介质和环境气氛在控制多孔炭微观结构、提高了多孔炭收率上的协同效应，阐明了原料、活化介质、环境气氛、加热方式对多孔炭微观结构的作用机制；通过渗硼提高了多孔炭的抗氧化性，探讨了不同渗硼方式对多孔炭催化性能的影响。利用油酸酯化反应研究了多孔炭的催化性能。研究发现，石油焦基多孔炭的最佳制备工艺参数为：炭化温度500 °C，活化温度850 °C，活化时间2 h。渗硼后，多孔炭的组成和微观结构随之发生相应变化，多孔炭的抗氧化能力显著提高。浸渍法硼磷共渗时，能使石油焦基多孔炭在500 oC下的氧化失重率由94.6%下降至14.0%；水热法硼磷共渗时，石油焦基多孔炭在500 oC下的氧化失重率由94.6%下降至16.7%。固体渗硼时，以B4C为渗硼剂，采用电炉加热固体渗硼，能使椰壳基多孔炭在500 oC下的氧化失重率由63.5%下降至19.6%；以B4C和B2O3混合物为渗硼剂，采用微波加热固体渗硼，能使椰壳基多孔炭在500 oC下的氧化失重率由63.5%下降至8.6%。对比不同渗硼方法可知，浸渍法硼磷共渗、水热法硼磷共渗、固体渗硼均能提高多孔炭的抗氧化性，但不同的渗硼方式对多孔炭的孔结构有不同程度的负面影响，其中水热法硼磷共渗对多孔炭孔结构影响最小。相对而言，水热法硼磷共渗较适合于高比表面积多孔炭。以石油焦为原料，经KOH活化所制多孔炭，再经硫酸处理后，在油酸酯化（与甲醇反应）反应中体现出很好的催化性能。丰富的含氧官能团、高的比表面积和酸密度的耦合效益使催化剂具有高的催化活性，油酸转化率达89.5wt%，且催化剂经简单过滤即可循环利用 ，是一种制备生物柴油的很有应用前景的催化剂。.本课题顺利完成了预定研究内容。围绕本课题工作，发表学术论文16篇，其中SCI收录9篇，中文核心7篇；在编专著1部；申请专利6项，已获批1项；获得省部级科技奖励6项；培养学生7人，其中4人已毕业。