[发明专利]一种氧化物负载纳米金刚石催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物负载纳米金刚石催化剂及其制备方法和应用，属于化学催化剂及其制备和应用领域。

背景技术

脱氢反应是一个重要的工业催化过程，其脱氢产物烯烃是用于制造很多化学产品(如塑料、橡胶、汽油、洗涤剂等)的重要化工原料。如丙烷脱氢产物丙烯被广泛用于生产聚丙烯、异丙醇、羰基醇、丙烯腈等。乙苯脱氢产物苯乙烯可用于生产聚苯乙烯(PS)、丁苯橡胶和丁苯胶乳(BBR/SBR胶乳)、不饱和聚酯树脂、离子交换树脂及合成树脂涂料等。

实现脱氢制烯烃技术的关键在于制备高稳定、高活性和高选择性的催化剂。传统的脱氢催化剂通常是金属或金属氧化物催化剂。以乙苯脱氢来说，常用的是掺杂K、Mo、Ce等氧化物的氧化铁基催化剂。而丙烷脱氢通常采用氧化物负载贵金属Pt的催化剂。但传统脱氢催化剂在实际应用中通常具有成本较高、烯烃选择性低、容易生成积碳、催化剂使用周期短、大量水蒸汽的使用导致能耗高等缺点。

小尺寸的纳米金刚石自被合成以来，由于其突出的电学、磁学、力学特性，已被广泛用于耐磨材料、表面抛光、磁性记录、润滑油、聚合物复合材料等领域。在催化领域，由于强酸处理后纳米金刚石表面还可生成羧基、羟基、羰基、酸酐等活性官能团，具有很高的活性，可作为催化剂载体或直接作为催化剂使用。但文献报道显示，常规的纳米金刚石作为催化剂或催化剂载体使用的是粉末，对于脱氢反应的固定床气固催化反应装置，粉末型的催化剂易被高速气流带走，造成催化剂流失或阻塞下级管路，而且粉末型催化剂床层的阻力大，造成动力消耗，纳米金刚石的利用效率较低，因其不具备宏观的形状和尺寸，所以不适用于工业催化过程。另外，纳米金刚石颗粒较小，颗粒间热量传递效率也不佳。

发明内容

本发明的目的是解决现有脱氢技术中存在的烯烃产物选择性低、催化剂易积碳及水蒸汽用量大等问题，提供一种氧化物负载纳米金刚石催化剂及其制备方法。该催化剂在脱氢反应中，具有烯烃选择性高、稳定性好、降低能耗的优点，在催化领域的实际应用中具有广阔的前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种氧化物负载纳米金刚石催化剂，包含氧化物载体和纳米金刚石涂层；以重量含量计，纳米金刚石为2～50％(优选为5～30％)；所述涂层厚度为0.5～5mm，催化剂为圆柱形或球形。

一种氧化物负载纳米金刚石催化剂的制备方法，第一种制备方法为：使纳米金刚石粉体在分散溶剂中形成高分散胶体，然后加入氧化物，进而在氧化物载体上进行涂层负载；或采用第二种制备方法：通过纳米金刚石粉体在氧化物载体成型过程中进行混合从而实现分散负载。

第一种制备方法具体为：将纳米金刚石粉体置于分散溶剂中，超声处理0.1～10小时(优选为0.1～3小时)后形成均匀胶体，然后按所需比例将氧化物载体放入均匀胶体中，于30～100℃(优选为35～70℃)搅拌条件下干燥处理，收集得到氧化物负载纳米金刚石催化剂；

每升分散溶剂中纳米金刚石粉体的加入量为0.2～25g；

第二种制备方法具体为：按所需比例取纳米金刚石粉体和氧化物载体放入烧杯中，先混合0.5～3小时，再加入去离子水浸润后捏合，控制捏合物料的温度为40～70℃，维持0.5～2小时后，经挤条、造粒为圆柱形或球形催化剂，再经80～120℃干燥10～48小时(优选为10～25小时)，然后于700～900℃高温烧结1～8小时(优选为2～4小时)，获得氧化物负载纳米金刚石催化剂。

所述纳米金刚石粉体通过爆轰法制备而得，所选用粉体的晶核尺寸为3～15nm。

所述氧化物载体为氧化铁、氧化铝、氧化镁、氧化钒、氧化铈、氧化钛、氧化钼、氧化硅、氧化镧、氧化锰中的一种或一种以上。

所述分散溶剂为甲醇、甲酸、乙醇、聚乙二醇、丙酮、乙酸或乙酸乙酯的水溶液或水，所述水溶液质量浓度为10～90％。

所述的催化剂用于通式为C_nH_2n+2的烷烃、乙苯、二乙苯、α-甲基乙苯的直接脱氢反应。催化剂在用于催化脱氢反应时，无需进行预还原。

所述脱氢反应在管式或径流式反应器中进行；反应原料为气态则直接进入反应器，反应原料为液态则采用稀释气通过鼓泡器或泵采样然后经汽化室汽化进样；催化反应条件为：反应温度400～700℃(优选为550～650℃)；气体空速：0.1～10000h^-1(优选为1～5000h^-1)；水蒸汽含量0～30％；稀释气为惰性气体(Ar、N₂、He)。