[发明专利]一种铁酸镁-氮掺杂碳复合物催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种铁酸镁‑氮掺杂碳复合物催化剂的制备方法，包括以下步骤：⑴将铁盐溶解于无水甲醇溶剂，形成铁盐溶液；⑵将溶有2‑甲基咪唑和聚乙烯吡咯烷酮的甲醇溶液缓慢加入铁盐溶液中，形成均匀混合溶液；⑶将氧化镁添加到混合溶液中，形成悬浊液；⑷将悬浊液经加热回流、完全蒸干溶剂后干燥，得到固体产物；⑸将固体产物在氮气气氛条件下焙烧，得到含氧化镁的铁酸镁‑氮掺杂碳复合氧化物；⑹将含氧化镁的铁酸镁‑氮掺杂碳复合氧化物浸入酸溶液中，依次经过滤、去离子水洗涤、干燥，除去未反应的氧化镁，即得铁酸镁‑氮掺杂碳复合物催化剂。本发明制备方法简单，所得的催化剂具有比表面积大、孔类型多、活性组分分散度高、稳定性高的特点。

技术领域

本发明涉及催化技术领域，尤其涉及一种铁酸镁-氮掺杂碳复合物催化剂的制备方法。

背景技术

异丁烯广泛应用于工业，可作为原料生产聚异丁烯、丁基橡胶、丙烯酸甲酯、甲基叔丁基醚等化学品。传统的异丁烯生产主要有石油裂解抽提和烷烃脱氢两种路线，其中脱氢工艺采用贵金属Pt基或氧化物Cr基催化剂。目前，工业化的脱氢技术有UOP公司的Oleflex工艺、Phillips公司的Star工艺、Lummus公司的Catofin工艺、Snamprogetti公司的FBD-4工艺以及Linden公司的linde工艺。这些工艺本质上是催化脱氢，为吸热反应，一方面反应能耗大、副反应多，不可避免地积碳导致催化剂反复再生；另一方面，催化剂的贵金属稀缺性或有害性使得寻求廉价、绿色催化剂成为催化领域的追求目标。

为了解决上述问题，二氧化碳氧化脱氢路线引起了广泛的关注，这是由于CO₂可与脱氢产物H₂发生逆水煤气反应，打破反应热力学平衡限制；同时，CO₂还可能与催化剂表面积碳发生反应，减缓催化剂的失活。尽管二氧化碳氧化脱氢具有诸多优点，但是二氧化碳和异丁烷的共活化较为困难，这使得催化活性受到限制。Sato等人曾提出催化剂中酸中心有利于烷烃分子的活化，碱中心有助于二氧化碳的活化以及烷烃分子中α-H的断裂。因此，如何调控酸碱性、酸碱度的精密匹配是难点也是催化材料具备高活性、高选择性的关键。

目前，铁系催化剂由于价格低廉、对环境友好，将其用于异丁烷脱氢，试图来取代铂、铬催化剂，在催化活性和稳定性方面有很大提升空间。Fe₂O₃-K₂O/γ-Al₂O₃脱氢催化剂（申请号：201610884010.5）具有较高的催化活性。除此之外，助剂的添加对催化剂的催化特性有显著的影响，不仅能改善催化剂的氧化还原性质，也可调变催化剂的酸碱性。如MoOx/ZrO₂催化剂采用碱性物对催化剂进行改性（Chen K, Alkali effects on molybdenumoxide catalysts for the oxidative dehydrogenation of propane，Journal ofCatalysis, 2000, 195(2): 244-252），有效改善催化剂的结构、性质等，从而提高其催化反应性能。

氮掺杂多孔碳材料（N-C）具有大比表面积、高孔隙率、优良的电子特性以及化学稳定性高等特点，在电催化、热催化、光催化中具有广阔的应用前景。铁酸镁（MgFe₂O₄）作为尖晶石类复合氧化物在催化中的应用也被广泛研究，将铁酸镁与氮掺杂的碳材料复合，有可能形成更高效的催化体系，近年来，也得到研究者的关注。然而，制备这一复合催化体系，通常面临多步，制备过程复杂。例如在N-C前驱体中加入事先制备好的MgFe₂O₄，然后高温焙烧（Shaohua Shen, Bifunctional Modification of Graphitic Carbon Nitride withMgFe2O4for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Generation, ACS Appl. Mater.Interfaces, 2015, 7: 18843−18848）。

发明内容