泡沫碳化硅基掺氮碳纳米管复合材料的可控制备及其催化乙苯直接脱氢的研究

Nitrogen-doped carbon nanotubes (N-CNTs) are metal-free catalytic materials with excellent catalytic performance in the direct dehydrogenation of ethylbenzene. However, due to some problems such as high pressure drop, high energy consumption and difficult recovery, N-CNTs powder cannot be directly used in fixed-bed reactors for the direct dehydrogenation of ethylbenzene. Considering these problems, we propose a new strategy that growing N-CNTs on the SiC foam for producing a N-CNTs/SiC foam composite. And we also study the catalytic performance of N-CNTs/SiC foam composite in the direct dehydrogenation of ethylbenzene. Using high-resolution electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and other methods, we want to explore the controlling rules of synthesis conditions for N-CNTs/SiC foam composite, produce the relationship of structure and catalytic reaction, clarify the influence mechanism of nitrogen-doping atom on the direct dehydrogenation of ethylbenzene. This research will provide a new approach for macroscopic shaping of N-CNTs and lay a theoretical foundation for the industrial application of N-CNTs in the direct dehydrogenation of ethylbenzene, which has the positive significance to solve high energy consumption of domestic styrene industry.

掺氮碳纳米管是一种非金属催化材料，具有优异的乙苯直接脱氢制苯乙烯性能。但是，掺氮碳纳米管常以粉末形态存在，难以克服固体床层的压力降，存在能耗高和回收困难等不足，限制了其在乙苯直接脱氢中的工业应用。为了解决掺氮碳纳米管粉末遇到的问题，本项目提出在商业泡沫碳化硅上可控生长掺氮碳纳米管，制备泡沫碳化硅基掺氮碳纳米管复合材料，研究其在乙苯直接脱氢反应中的催化性能。运用高分辨电镜、X射线光电子能谱等研究手段，揭示合成条件对复合材料的可控制备规律，构建复合材料结构与催化性能的关系，阐明氮原子掺杂对催化反应的作用机制。本项目将提供一种掺氮碳纳米管宏观成型的新方法，为掺氮碳纳米管催化乙苯直接脱氢的工业应用奠定理论基础，对于解决我国苯乙烯行业的高能耗问题有积极的意义。

针对乙苯直接脱氢制苯乙烯行业中反应工艺路线的铁基催化剂需要使用过热水蒸气而带来的高能耗问题，需要寻求一种替代铁基催化剂的新型催化剂。掺氮碳纳米管是一种新型的非金属催化材料，具有优异的乙苯直接脱氢制苯乙烯性能。将掺氮碳纳米管应用在乙苯直接脱氢反应中对于解决我国苯乙烯行业的高能耗问题有积极的意义。但是，掺氮碳纳米管常以粉末形态存在，难以克服固体床层的压力降，存在能耗高和回收困难等不足，限制了其在乙苯直接脱氢中的工业应用。. 基于以上问题，本项目开发了一种均匀性好、结合强度高的掺氮碳纳米管宏观成型方法。通过设计一种含铁催化剂的镁铝水滑石类涂层，成功地包覆在泡沫碳化硅结构材料上，实现了催化剂在泡沫碳化硅载体上均匀化固载。其中，含铁催化剂的镁铝水滑石类涂层覆盖率可达到100%；涂层含量可在1%-7%范围内调变；涂层脱落率小于0.9%；铁催化剂担载量控制在0.1%-5%内，尺寸控制在5-30nm内。然后，采用化学气相沉积方法在负载有催化剂的泡沫碳化硅整体式材料上可控生长掺氮碳纳米管材料，制备了一种掺氮碳纳米管/泡沫碳化硅整体式材料。研究了催化剂颗粒尺寸、负载量和碳管的生长条件等对掺氮碳纳米管生长量和掺氮量的影响规律，获得具有不同催化剂尺寸和担载量的控制参数，制备掺氮碳纳米管管径分布均匀、生长量可控、结合强度高的整体式材料，其掺氮碳纳米管管径控制在10-30nm内；掺氮碳纳米管的生长量大于2%；掺氮碳纳米管的掺氮量大于1%。获得了掺氮碳纳米管与载体结合强度高的掺氮碳纳米管/泡沫碳化硅整体式材料，其脱落率小于0.5%。研究制备的掺氮碳纳米管/泡沫碳化硅材料的催化性能，获得了掺氮碳纳米管生长量、掺氮量等对催化性能的影响规律，其催化选择性大于90%，催化稳定性大于50h。本项目提供了一种掺氮碳纳米管宏观成型的新方法，整合了泡沫碳化硅和掺氮碳纳米管的优势，为掺氮碳纳米管在非金属催化领域中乙苯脱氢制苯乙烯的工业化应用提供了重要的理论支撑。