[发明专利]纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂及其制备方法和在正丁烷直接脱氢反应中的应用，属于正丁烷直接脱氢反应催化剂技术领域。本发明首先制备纳米金刚石/石墨烯复合结构碳材料作为载体，金属铱以原子级分散的团簇形式分散固定在石墨烯壳层。催化剂在混合原料气中将正丁烷高效脱氢生成丁烯，催化剂的使用温度为400～500℃，空速为1000～45000mL/g^‑1h^‑1。该催化剂对环境无污染，并且在低温条件下仍然具有较高的催化活性和选择性，节约能耗。

技术领域

本发明涉及正丁烷直接脱氢反应催化剂技术领域，具体涉及一种纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

丁烯是石油化工行业重要的原料，广泛的用于生产酸、酯、醛等化工中间体，更是生产橡胶、合成树脂、尼龙的原材料。近年来，随着烯烃下游行业的发展，人们对丁烯的需求量逐年递增，因此研发高性能的正丁烷直接脱氢制烯烃催化剂在精细化工和聚合物工业生产过程中具有十分重要的意义。

丁烷脱氢反应温度一般在500℃以上。在高温条件催化剂的结构不稳定，发生烧结，会导致催化剂活性下降。同时，高温条件还会使催化剂在反应气氛中发生裂解反应或深度脱氢，不仅导致丁烯的选择性下降，深度脱氢产物进一步聚合形成芳香烃类化合物会沉积在活性位点表面，抑制活性位点对反应物分子的吸附，积碳导致催化活性进一步降低。如果通过改变催化剂种类或结构，将丁烷脱氢反应温度降低至500℃以下，不仅可以保证催化剂的结构稳定，还能抑制催化剂积碳，提高催化剂对丁烯的选择性，延长催化剂寿命。

工业上，大量的化工过程都需要负载型金属催化剂，因此贵金属(如铂、钯、钌)和非贵金属(如铁、钴、镍)被广泛的用在工业催化中。但是在某些催化反应中负载型金属纳米颗粒催化剂因为自身金属利用率受限，催化活性较低，同时也提高催化剂的使用成本。因此研发原子级分散的金属催化剂可以大幅度提高金属的利用效率，尤其降低贵金属催化剂的成本。

因此，开发新型的高活性、低成本丁烷脱氢催化剂显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂及其制备方法和应用。所制备的纳米金刚石负载原子级分散铱团簇催化剂用于正丁烷直接脱氢制丁烯时，在较低的温度下能有效的催化正丁烷脱氢为丁烯。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂，该催化剂是由纳米金刚石/石墨烯复合载体和铱物种组成，铱物种以原子级分散的铱团簇的方式均匀负载于纳米金刚石/石墨烯复合载体表面。

所述纳米金刚石/石墨烯复合载体为核壳结构，纳米金刚石为核，石墨烯材料为壳层；铱以原子级分散的团簇形式均匀分散在石墨烯壳层表面，并与石墨烯缺陷上的碳原子成键。

该催化剂中，铱的负载量为0.1～1.5wt.％(优选为0.15～1.5wt.％)。

所述纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先以纳米金刚石为原料，制备纳米金刚石/石墨烯复合载体；

(2)通过沉积沉淀法将铱物种沉积在纳米金刚石/石墨烯复合载体上，得到纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂前驱物；

(3)将纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂前驱物置于石英管中，在氢气和氮气的混合气中进行还原处理后，即得到所述纳米金刚石/石墨烯复合载体负载原子级分散铱团簇催化剂。