多孔碳球的制备、改性及其催化异丁烷脱氢性能的研究

摘要

本文以酚醛树脂作为碳源，通过海藻酸铵辅助溶胶-凝胶法制备出一种新型的具有较高机械强度和较大比表面积的多孔活性碳球，用X射线电子衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)、氮气吸附脱附法(BET)、氢气程序升温还原（H2-TPR）等表征手段对其形貌、结构与组成、比表面积、孔道结构、失活机理等进行了研究。系统的考察了活性碳球前驱体-可溶性酚醛树脂的制备温度与时间、碳球煅烧温度与时间、添加不同元素的含量等条件对碳球催化异丁烷脱氢性能的影响。 研究结果表明，通过海藻酸铵辅助溶胶-凝胶法能够制备出具有较高机械强度、较好球型度、较大比表面积和孔体积的活性碳小球。在制备过程中，制备酚醛树脂的反应时间和反应温度是影响碳球成型的关键因素。随着酚醛树脂制备过程中反应温度的升高及反应时间的延长，所制备的酚醛树脂聚合度提高，制备出的碳球的表面越光滑，圆整度越好，比表面积和机械强度也越大。在酚醛树脂最优的制备条件下（反应时间为2 h、反应温度为95℃），制备得到的活性碳小球机械强度可达51.8 N/粒，比表面积可达394.7 m2g-1，该碳球用于异丁烷脱氢制异丁烯反应，其异丁烷转化率和异丁烯选择性分别可达到18%和92%。 通过添加扩孔剂CaCO3对活性碳小球进行了扩孔研究。研究表明，碳酸钙的加入能够大幅度提高多孔活性碳球的比表面积和孔体积，其比表面积由394.7 m2/g提高到584.3 m2/g，孔体积可高达0.594 cm3/g，表面含氧官能团也明显增加。扩孔后，碳球的异丁烷脱氢性能得到了较大的改善，在反应温度575℃、H2/C4H10=1、SV=1600/h时，异丁烷转化率可达到28%，异丁烯选择性可达95%，均远高于未扩孔的活性碳球。扩孔碳球异丁烷脱氢性能的提高主要与碳球表面积增加、介孔数量增多以及表面含氧官能团含量增加有关。此外，以三聚氰胺为N源、三苯基膦为P源，对活性碳小球进了N和P的改性，探讨了非金属元素N和P的引入对活性碳小球异丁烷脱氢性能的影响。结果表明，N或P元素对多孔活性碳球的孔结构和机械强度几乎没有影响，但是可以明显提高活性碳球的异丁烷脱氢制取异丁烯的催化性能。当N或P元素掺杂量为1%时，碳球表现出最好催化活性，异丁烷转化率和异丁烯选择性可分别达36%和94%、37%和94%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 碳材料与活性碳微球

1.2 活性碳微球的制备与应用

1.3 海藻酸

1.4 异丁烷与异丁烯

1.5 本论文研究思路及内容

第2章 多孔活性碳球的制备

2.1 实验药品

2.2 多孔活性碳球的制备

2.3 多孔活性碳球的表征

2.4 催化剂评价体系

2.5 结果与讨论

2.6 小结

第3章 扩孔对活性碳球脱氢性能的影响

3.1 实验药品

3.2 扩孔活性碳球的制备

3.3 扩孔活性碳球的表征

3.4 脱氢性能测试

3.5 结果与讨论

3.6 小结

第4章 N、P掺杂对活性碳球异丁烷脱氢性能的影响

4.1 实验药品

4.2 改性活性碳球的制备

4.3 改性活性碳球的表征

4.4 改性活性碳球的脱氢性能测试

4.5 结果与讨论

4.6 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

（1）发表的论文:

（2）参与的科研项目:

致谢