[发明专利]一种共催化转化甲烷和乙烷制烯烃、芳烃和氢气中的方法

权利要求书

1.一种共催化转化甲烷和乙烷制烯烃、芳烃和氢气中的方法，其特征在于：其采用石英催化反应器进行反应操作，将甲烷和乙烷混合气为原料气直接催化反应转化为烯烃、芳烃和氢气；

将催化剂活性组分直接晶格掺杂到石英管与反应原料的接触面、或将催化剂活性组分晶格掺杂的Si基材料涂覆在石英管与反应原料的接触面，于石英管与反应原料的接触面上会形成晶格掺杂的催化掺杂物薄层，将石英管与反应原料的接触面直接晶格掺杂或涂覆晶格掺杂的具有催化功能薄层的石英反应器称为石英催化反应器，石英催化反应器具有反应器和催化剂双重功能；所述的接触面是指石英管的内壁和/或外壁；

所述催化掺杂物薄层的厚度为100纳米-1毫米；

所述催化剂活性组分为金属元素、或金属元素和非金属元素混合物，按掺杂物薄层的总重量为100%计，金属元素掺杂量应大于0.05wt.%至小于等于5wt.%；非金属元素掺杂量0-5wt.%；

所述金属元素包括：锂、镁、铝、钙、锶、钡、钛、锰、钒、铬、铁、钴、镍、锌、锗、锡、镓、锆、金、镧、铈、镨、钕、铕、铒、镱、钌、金或铂中的一种或二种以上；所述非金属元素包括：硼、磷中的一种或二种；

反应原料气体中甲烷和乙烷的总体积含量为5~100%；

乙烷气和甲烷的体积含量比为0.05~0.5；

石英催化反应器采用下述固相掺杂技术来制备获得；所述固相掺杂技术为改进的化学气相沉积法（MCVD），为下列三种之一；

第一种：在1-3大气压下，将四氯化硅液体在载气带动下，或将四氯化硅液体和在50-500 ^oC待气相掺杂的非金属氯化物在载气带动下，进入MCVD装置在1400-1650℃下与氧气进行反应，在所述石英反应器内壁气相沉积0.01~100微米厚度的硅基材料薄层，随后将该石英反应器在20-80^oC温度下浸渍于待掺杂金属盐的水溶液中0.1-20小时后；进而将浸渍后的石英管在1800~2200^oC下熔制获得相应金属晶格掺杂的反应器，该反应器内壁形成100nm-1mm厚度的掺杂物薄层，然后立即冷却，固化后得具有催化活性的石英反应器；

第二种：在1-3大气压下，将四氯化硅液体与在50-950度气化的待气相掺杂挥发性掺杂金属盐在载气带动下，或将四氯化硅液体、在50-950度气化的待气相掺杂挥发性掺杂金属盐和在50-500度待气相掺杂的非金属氯化物在载气带动下，进入MCVD装置在1400-1650^oC下与氧气进行反应，在所述石英管内壁气相沉积10分钟~2小时，随后在1800~2200^oC下熔制获得相应金属晶格掺杂的反应器，该反应器内壁形成100nm-1mm厚度的掺杂物薄层，然后立即冷却，固化后得具有催化活性的反应器；

第三种：在1-3大气压下，将四氯化硅液体和常温液态待掺杂金属氯化物在载体带动下，或将四氯化硅液体、常温液态待掺杂金属氯化物、以及常温液态待掺杂非金属氯化物和/或氧氯化物在载体带动下，进入MCVD装置在1400-1650^oC下与氧气进行反应，沉积在所述石英管内壁气相沉积10分钟~2小时，随后在1800~2200^oC下熔制获得相应金属晶格掺杂的反应器，该反应器内壁形成100nm-1mm厚度的掺杂物薄层，然后立即冷却，固化后得具有催化活性的反应器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化掺杂物薄层的厚度为200纳米-0.5毫米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化掺杂物薄层的厚度为500纳米-200微米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化掺杂物薄层的厚度为1微米-50微米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化剂活性组分为金属元素、或金属元素和非金属元素混合物，按掺杂物薄层的总重量为100%计，金属元素掺杂量为0.05wt.%~3wt.%；非金属元素元素掺杂量为0.05wt.%~3wt.%。