[发明专利]一种碳基催化材料及其合成方法

说明书

本发明公开了一种碳基材料，以该碳基材料的总重量为基准，该碳基材料含有60‑99重量％的碳元素、0.1‑16重量％的氮元素、0.5‑20重量％的氧元素和0.05‑8重量％的金属元素。本发明还提供了一种制备上述碳基材料的方法，该方法包括如下步骤：(1)将固体碳源、前驱体和水混合，得到混合后的物料；其中，所述前驱体含有有机碱源和无机碱源；(2)将混合后的物料进行水热处理，得到水热处理后的物料；并且将水热处理后的物料中的固体分离并进行干燥，得到干燥后的物料；(3)将干燥后的物料进行焙烧。本发明还提供了如上所述的碳基材料在催化烃氧化反应中的用途。本发明能够同时提高烃氧化制备烯烃的选择性和转化率。

技术领域

本发明涉及材料化学领域，具体地，涉及一种碳基材料、一种制备碳基材料的方法和该碳基材料的用途。

背景技术

碳基材料包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯、碳纳米纤维和纳米金刚石等等。碳基材料可以作为氧化烃类特别是烷烃的催化材料，例如：有文献(Applied Catalysis,29(1987)311-326)报道了利用活性炭为催化剂将乙苯氧化脱氢成为苯乙烯，还有文献(ACTAPHYSICA POLONIC A,118(2010)459-464)报道了利用活性炭为催化剂将正丁烷转化为丁烯和丁二烯。

研究表明，如果在纳米碳材料(例如纳米碳管和石墨烯)表面上修饰含氧、氮等杂原子的饱和及非饱和官能团，可以改变纳米碳材料的催化活性，如可以通过对纳米碳材料进行氧化处理实现在纳米碳材料中引入氧原子，从而增加纳米碳材料中含氧官能团的含量。例如，可以将纳米碳材料在强酸(如HNO₃、H₂SO₄)和/或强氧化性溶液(如H₂O₂、KMnO₄)中进行回流反应，在回流反应的同时还可以辅助进行微波加热或超声振荡，以增强氧化反应的效果。

但是，在强酸和/或强氧化性溶液中进行回流反应可能会对纳米碳材料的骨架结构产生不利影响，甚至破坏纳米碳材料的骨架结构。例如：将纳米碳材料用硝酸进行氧化，虽然可以在纳米碳材料表面引入大量含氧官能团，但是极易造成纳米碳材料被切断和/或明显增加石墨网络结构中的缺陷位，从而可能降低纳米碳材料的性能，如热稳定性。另外，通过在强酸和/或强氧化性溶液中进行回流反应，以引入氧原子时，氧原子的引入量对反应操作条件的依赖性高，波动范围较宽，不易精确控制。

烯烃特别是二烯烃和芳香烯烃是重要的化工原料，例如丁二烯是生产合成橡胶(例如丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶)的主要原料。利用苯乙烯与丁二烯共聚，生产各种用途广泛的树脂(如ABS树脂、SBS树脂、BS树脂和MBS树脂)，使丁二烯在树脂生产中逐渐占有重要地位。此外，丁二烯还可用于生产乙叉降冰片烯(乙丙橡胶第三单体)、1,4-丁二醇、己二腈(尼龙66单体)、环丁砜、蒽醌和四氢呋喃等，因此丁二烯也是重要的基础化工原料。此外，苯乙烯也是重要的合成橡胶和塑料的单体，可以用来生产丁苯橡胶、聚苯乙烯和泡沫聚苯乙烯等；也用于与其他单体共聚制造多种不同用途的工程塑料。如与丙烯腈、丁二烯共聚制得ABS树脂，广泛用于各种家用电器及工业上；与丙烯腈共聚制得的SAN树脂是耐冲击、色泽光亮的树脂；与丁二烯共聚所制得的SBS是一种热塑性橡胶，广泛用作聚氯乙烯、聚丙烯的改性剂等。苯乙烯主要用于生产苯乙烯系列树脂及丁苯橡胶，也是生产离子交换树脂及医药品的原料之一。此外，苯乙烯还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业。

烃氧化脱氢是制备烯烃的重要方法，例如可以将丁烷氧化脱氢生成1-丁烯，1-丁烯可以进而氧化脱氢生成1,3-丁二烯；也可以将苯乙烷氧化脱氢生成苯乙烯。但烃氧化脱氢制备烯烃时，普遍存在着选择性和转化率难以同时提高的问题。

发明内容

本发明的目的是克服烃氧化脱氢制备烯烃中所存在的选择性和转化率一般难以同时提高的问题，提供一种能够催化烃氧化脱氢制备烯烃并同时获得高选择性和转化率的碳基材料、该碳基材料的制备方法和该碳基材料的用途。