[发明专利]一种轻质烷烃的催化偶联方法

说明书

本发明涉及烷烃的催化偶联技术领域，具体涉及一种轻质烷烃的催化偶联方法。本发明提供的轻质烷烃的催化偶联方法，包括如下步骤：将轻质烷烃和惰性气体的混合原料气通入装有催化剂的低温等离子体反应器中，在催化剂存在的条件下进行催化偶联反应，制备得到轻质烷烃偶联产物；所述催化剂为单原子铂催化剂。本发明提供的轻质烷烃的催化偶联方法，其首次将单原子铂催化剂应用于等离子体催化甲烷无氧偶联反应中，实现了低温无氧条件下甲烷的高效定向C₂碳氢化合物的转化，能够有效提高C₂化合物的选择性和烷烃转化率。

技术领域

本发明涉及烷烃的催化偶联技术领域，具体涉及一种轻质烷烃的催化偶联方法。

背景技术

甲烷作为轻质烷烃，在未来极具潜力成为合成石油化学类产品派生物的烃类原料，因此，将甲烷化学转化为有价值的化学品具有广阔的前景。现有甲烷转化有很多方法，包括甲烷的非直接转化和直接转化，甲烷的非直接转化主要是通过水蒸气重整，CO₂重整或部分氧化方法将甲烷转化为合成气(H₂+CO)，再通过费托合成将其转化为化学品；甲烷的直接转化分为甲烷的氧化偶联和非氧化偶联，其中，甲烷的无氧偶联(NCM)因为避开了能量集中的合成气步骤，具有良好的经济性，并且甲烷的无氧偶联因在产生C₂碳氢化合物和H₂时不产生CO_x，具有独特的优势。但是，由于甲烷的C-H键能很强，以及非极性的结构和较高的电离能，因此传统的甲烷热活化过程通常需要极高的温度(＞1000℃)才能进行，即使存在催化剂，也至少需要800℃才能促进甲烷无氧偶联反应的进行，这不仅会使生产成本增加，还会因为积碳和高温烧结造成催化剂的失活，降低C₂碳氢化合物的选择率。

低温(非平衡)等离子体技术(NTP)能够在低温下促进热动力学不利反应的发生和进行，减少能量的输入，因此成为一项具有前景的替代技术。NTP的总体温度较低，可达室温，但其电子温度可高达20000K，加速的电子、离子和自由基能够直接活化C-H键，而无需将反应器加热到较高的温度。但NTP技术的弊端在于其存在较多的副反应，会产生大量的副产物，从而导致甲烷的转化率和产品的选择率较低。将NTP技术和常规负载型金属催化剂结合使用可以在一定程度上提高甲烷的转化率和产物的选择性，然而提升幅度有限，无法有效满足工业化生产要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有低温等离子体技术实现轻质烷烃偶联易产生各种副反应，即使与常规负载型金属催化剂结合使用对烷烃的转化率和产物选择性也提升有限的问题，进而提供一种轻质烷烃的催化偶联方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻质烷烃的催化偶联方法，包括如下步骤：

将轻质烷烃和惰性气体的混合原料气通入装有催化剂的低温等离子体反应器中，在催化剂存在的条件下进行催化偶联反应，制备得到轻质烷烃偶联产物；

所述催化剂为单原子铂催化剂。

优选的，所述单原子铂催化剂的活性组分为金属铂，载体为二氧化铈。

优选的，所述单原子铂催化剂中金属铂在催化剂中所占质量百分比为0.1％-2％。

优选的，所述催化偶联反应温度为25-200℃，反应压力为0.1-0.3MPa，所述混合原料气在介质阻挡放电区域的停留时间为4-50s。

优选的，所述低温等离子体反应器的功率为6-75w，放电频率为8-10kHz。

优选的，所述混合原料气中轻质烷烃和惰性气体的体积比为1:(0.8-2)；

所述混合原料气的体积空速为1400-14000h^-1。

优选的，所述单原子铂催化剂的制备方法包括如下步骤：