[发明专利]碳基催化剂及其制备方法和应用以及乙苯脱氢制备苯乙烯的方法

说明书

本发明涉及催化剂制备领域，公开了一种碳基催化剂及其制备方法和应用以及乙苯脱氢制备苯乙烯的方法，该碳基催化剂包括载体及负载在载体上的活性组分，所述活性组分包括纳米金刚石以及改性元素，所述改性元素选自氮元素、磷元素和硼元素中的至少一种。本发明提供的碳基催化剂为整体式催化剂，方便于运输，制备方法简单，不需要特殊的设备和复杂的操作步骤，用于乙苯脱氢反应过程中，可以在相对较低反应温度下生产苯乙烯。

技术领域

本发明涉及催化剂制备领域，具体涉及碳基催化剂及其制备方法和应用以及乙苯脱氢制备苯乙烯的方法。

背景技术

苯乙烯是生产聚苯乙烯树脂、ABS树脂、合成橡胶等产品的重要有机原料，用途非常广泛。乙苯脱氢制苯乙烯是目前工业上制备苯乙烯的主要路线。目前，该反应是在铁系催化剂的作用下，高温和过量水蒸气的条件下进行的。水蒸气在苯乙烯生产过程中可以提供反应所需的能量，起到降低乙苯分压、促使反应正向移动的作用，还可以自动除焦、防止催化剂活性成分被还原等。因此苯乙烯生产过程需要耗用大量过热水蒸汽作为脱氢介质，而大量水蒸气的耗用使得该工艺能耗大、产物冷凝量大、过程设备费用高，生产成本居高不下。在全球能源与环境问题日益突出的形势下，能耗大的问题一直困扰着苯乙烯工业的健康发展。

与直接脱氢反应相比，乙苯氧气氧化脱氢反应为放热反应，可以在较低的温度下进行，节约了能源，又克服了热力学平衡的限制，同时还能使反应工艺大大简化。但是会出现产物深度氧化，产物分布难以控制的问题。若能使乙苯在少量氧气即贫氧的条件下进行反应，则既能降低能耗又能保证产物的选择性，因此，乙苯贫氧脱氢反应成为一条具有潜在竞争力的新工艺路线。

近年来，纳米碳材料因其稳定性和优异的催化活性而被广泛研究。如CN105330502A(一种杂原子修饰的纳米碳材料作为正丁烯氧化脱氢反应催化剂的应用)中公开了一种杂原子修饰的纳米碳材料作为催化剂，正丁烯的转化率为25～60％，丁二烯选择性为56～90％。

目前，使用纳米碳材料作为催化剂，活性、选择性和稳定性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的纳米碳材料催化剂活性、选择性和稳定性较差的问题，提供一种碳基催化剂及其制备方法和应用以及乙苯脱氢制备苯乙烯的方法，该催化剂用于乙苯氧化脱氢反应时具有活性高，选择性高和稳定性好的特点。

本发明的发明人在研究过程中发现，纳米碳材料一般为粉末状，如果能将该材料复合到载体上，得到整体式催化剂，则一方面能充分分散表面的活性组分，另一方面有助于避免固定床反应器压降的产生，从而提高该类材料用于脱氢反应过程的竞争力。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种碳基催化剂，该碳基催化剂包括载体及负载在载体上的活性组分，所述活性组分包括纳米金刚石以及改性元素，所述改性元素选自氮元素、磷元素和硼元素中的至少一种。

优选地，所述载体为碳化硅，进一步优选为β-SiC。

本发明第二方面提供一种碳基催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米金刚石、含改性元素的化合物、葡萄糖、分散剂以及溶剂混合，得到活性组分悬浊液；所述含改性元素的化合物选自氮源、硼源和磷源中的至少一种；

(2)将载体浸渍于步骤(1)所述的活性组分悬浊液中，依次进行干燥、预煅烧和煅烧。

本发明第三方面提供上述制备方法制得的碳基催化剂。

本发明第四方面提供上述碳基催化剂在乙苯脱氢反应中的应用。

本发明第五方面提供一种乙苯脱氢制备苯乙烯的方法，该方法包括：

在乙苯脱氢反应条件下，将含有乙苯、稀释剂和氧化剂的混合气与上述碳基催化剂接触。

本发明提供的技术方案具有以下优势：