高稳定性丙烷脱氢催化新材料的研究

With the large-scale discovery and exploration of shale gas, dehydrogenation of propane (PDH) directly originating in shale gas is becoming the most competitive technique for producing propylene. The deactivation of the Pt nanoparticles (NPs) supported catalyst by sintering is a critical issue for the high-temperature PDH reaction. In this project, a novel kind of Pt/nanodiamond (core)-graphene (shell) catalyst (Pt/ND@G) for PDH will be rationally designed. The influence of the new nanocarbon support and Pt NPs on the catalyst stability, and the interaction mechanism between the core-shell nanodiamond and Pt NPs for Pt/ND@G in the PDH reaction will be systematically studied. Our project will provide a new strategy for designing practical carbon-supported catalysts for use in the PDH reaction.

随着页岩气资源的大规模发现和开发，直接以其中的丙烷为原料采用脱氢技术生产丙烯逐渐成为具有竞争力的丙烯生产工艺。金属烧结是引起用于丙烷脱氢反应铂系催化剂失活的主要原因之一。本项目以设计制备高稳定性的负载型铂/纳米金刚石(核)-石墨烯(壳)催化剂为目标，拟通过揭示新型纳米碳材料载体对提高铂系催化剂丙烷脱氢稳定性所起的作用，阐明核壳复合结构的纳米金刚石与铂颗粒的作用机理，为获得实用性的铂/核壳复合结构纳米金刚石丙烷脱氢催化剂提供理论基础和技术思路。

页岩气的大量供应使得定向丙烯技术的研发受到广泛关注。对于丙烷直接脱氢工艺，Pt基催化剂在苛刻的反应及再生条件下易于发生烧结而失活。调控载体、构筑金属-载体强相互作用是提升催化剂性能的有效方法。纳米金刚石经过高温淬火处理后呈现纳米金刚石@石墨烯核壳结构，该特殊结构及石墨烯壳层表面丰富的且能发生电子定域聚集的缺陷位均有助于分散和稳定金属颗粒，防止颗粒高温烧结，可有效提高Pt基催化剂的丙烷脱氢性能。本项目以碳纳米管模拟石墨烯壳层，并在管内外分别负载Pt和其他金属制备催化剂材料，发现该材料表现出明显较高的催化活性及稳定性，初步说明金属-石墨烯壳层-内核金属间的调控作用，改变了Pt及其他金属物种的物相及电子状态，从而共同提高了该材料的丙烷脱氢性能。也再次证明了Pt/核壳结构纳米金刚石中金属-石墨烯壳层-洋葱碳内核三者间的相互作用的确影响了该催化剂的性能。本研究可为新型高性能丙烷脱氢Pt基催化材料的理性设计提供依据。