[发明专利]氮化碳材料在催化低碳烷烃氧化脱氢制备烯烃中的应用

说明书

本发明属于催化剂应用技术领域，具体涉及氮化碳材料催化低碳烷烃氧化脱氢制备烯烃的应用，将氮化碳材料在空气、氧气、二氧化碳、二氧化氮或水蒸气气氛下活化得到活化好的氮化碳材料，再将活化好的氮化碳材料直接应用于低碳烷烃氧化脱氢反应；氮化碳制备成本低，简单易得，适用于低碳烷烃氧化脱氢制烯烃的工业化生产中，具有高的烯烃选择性，无积碳，寿命长，应用前景十分广阔。

技术领域：

本发明属于催化剂应用技术领域，具体涉及氮化碳材料催化低碳烷烃氧化脱氢制备烯烃的应用。

背景技术：

随着天然气的探明储量不断增加以及开采技术的飞速发展，低碳烷烃的成本大幅下降，利用天然气中丰富的低碳烷烃资源(C2～C5)催化转化为对应的烯烃及含氧化合物等化工原料，可以极大的缓解化工原料的匮乏的危机。在低碳烷烃中C-H键相当稳定，活化难度大，这导致了烷烃无氧脱氢过程需要较高的能量，提高了生产成本，而低碳烷烃氧化脱氢过程，不受热力学限制，是目前最有希望取代无氧脱氢制烯烃的方法。但是产物烯烃中的C-C键能比反应物中的C-H要弱，这便造成了低碳烷烃氧化脱氢制烯烃的反应过程中容易出现深度氧化产物(CO、CO₂)，从而降低了目标产物烯烃的选择性。因此开发一种高效的催化剂仍是亟待解决的问题。

目前低碳烷烃氧化脱氢的催化剂多采用金属氧化物，但是由于此类催化剂较强的氧化性，所以烯烃的收率很少能够突破20％。近几年，有研究者发现氮化硼材料在低碳烷烃氧化脱氢反应中表现出优异的烯烃选择性，收率可以达到20％以上(Grant J T,Carrero CA,Goeltl F,et al.Selective oxidative dehydrogenation of propane to propeneusing boron nitride catalysts[J].Science,2016,354(6319):1570-1573；Venegas JM,Grant J T,McDermott W P,et al.Selective Oxidation of n-Butane and IsobutaneCatalyzed by Boron Nitride[J].ChemCatChem,2017,9(12):2118-2127；Huang R,ZhangB,Wang J,et al.Direct Insight into Ethane Oxidative Dehydrogenation overBoron Nitrides[J].ChemCatChem,2017,9(17):3293-3297)。氮化硼催化剂的出现极大推动了低碳烷烃氧化脱氢走向工业化，但是由于氮化硼材料制备过程复杂，成本较高。因此开发一种催化性能优异价格低廉的催化剂依然是个巨大的挑战。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提出氮化碳材料在催化低碳烷烃氧化脱氢制备烯烃中的应用，将制备过程简单、方便大规模制备的氮化碳非金属材料用于低碳烷烃氧化脱氢如丙烷、正丁烷、异丁烷和异戊烷中显示了高的选择性和稳定性。

为实现上述目的，本发明将氮化碳材料用于催化低碳烷烃氧化脱氢制备烯烃的具体过程为：

(1)将氮化碳材料在空气、氧气、二氧化碳、二氧化氮或水蒸气气氛下活化得到活化好的氮化碳材料，活化温度为200～550℃，活化时间为6～72h；

(2)将活化好的氮化碳材料直接应用于低碳烷烃氧化脱氢反应时，反应温度为300～550℃，其中丙烷优选400～550℃，正丁烷、异丁烷优选300～450℃，戊烷优选300～450℃，反应物与氧化剂的体积比例为(1～8):1，优选(3～5):1。

本发明所述低碳烷烃氧化脱氢反应中的氧化剂为氧气、空气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化碳、一氧化碳或水蒸气，优选空气或氧气；反应中可使用惰性气体作为稀释剂，也可不使用稀释剂。

本发明所述惰性气体为氦气、氮气或氩气，优选氮气。