纳米碳材料成型体及其制备方法和应用以及纳米碳材料的成型方法和烃脱氢反应方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物，所述纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素。根据本发明专利技术的纳米碳材料成型体以耐热无机氧化物作为粘结剂将纳米碳材料粘结成型，不仅具有较高的抗破碎强度，而且具有较高的孔隙率，适于作为催化剂、特别是烃脱氢反应的催化剂使用。

Carbon nanomaterials and their preparation methods and applications as well as the forming method of carbon nanomaterials and the method of hydrocarbon dehydrogenation

The invention discloses a nano carbon material molding body, which contains nano carbon material and heat-resistant inorganic oxide bonded to form the nano carbon material, and the nano carbon material contains O elements and optional N elements. According to the invention of the carbon nano material forming body with heat-resistant inorganic oxide as adhesive bond forming carbon nano materials, not only has high crushing strength, but also has high porosity, suitable as catalyst, especially the use of hydrocarbon dehydrogenation catalyst.

【技术实现步骤摘要】
纳米碳材料成型体及其制备方法和应用以及纳米碳材料的成型方法和烃脱氢反应方法
本专利技术涉及纳米碳材料成型
，具体地，本专利技术涉及一种纳米碳材料成型体及其制备方法，本专利技术还涉及所述纳米碳材料成型体作为烃脱氢反应的催化剂的应用，本专利技术进一步涉及一种以所述纳米碳材料成型体作为催化剂的烃脱氢反应方法。
技术介绍
烃类物质的脱氢反应是一类重要的反应类型，例如大部分低碳链烯烃是通过低碳链烷烃的脱氢反应而获得的。脱氢反应根据氧气是否参与可以划分为直接脱氢反应(即，氧气不参与)和氧化脱氢反应(即，氧气参与)两类。多种类型的纳米碳材料已被证明对烃类物质的直接脱氢反应和氧化脱氢反应均具有催化效果。以纳米碳材料作为催化剂的烃氧化脱氢工艺如采用固定床反应工艺，需将纳米碳材料成型，成型体需要满足以下两个方面的要求：(1)具有一定的强度，以避免在反应过程中成型体发生破碎，一方面破碎形成的细颗粒或粉末会导致催化剂床层压降升高，从而提高生产运行成本，增加生产的危险性；另一方面破碎形成的细颗粒或粉末若被反应产物带出，会导致催化剂流失以及产物分离复杂化；(2)具有一定的孔隙率，以提高成型体的比表面积，使得成型体中的纳米碳材料能更充分地与反应物料进行接触。作为将纳米碳材料成型的一个实例，研究人员尝试将碳纳米管(CNT)负载在SiC泡沫的表面，形成CNT/SiC泡沫。尽管CNT能较好地锚定在SiC泡沫表面，但是CNT的负载量较低，通常只能达到0.5-4重量％。因此，如何将纳米碳材料成型为在宽泛的纳米碳材料含量范围内仍然具有较高的强度的成型体仍然是一个亟待解决的技术问题。专利技术内容本专利技术的目的在于提供一种纳米碳材料成型体及其制备方法，该纳米碳材料成型体不仅具有较高的强度，而且纳米碳材料的含量能在较宽的范围进行调节。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物，所述纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物；所述纳米碳材料采用包括以下步骤的方法制得：将一种分散有原料纳米碳材料以及至少一种改性剂的水分散液于密闭容器中进行反应，反应过程中，所述水分散液的温度保持在80-250℃的范围内，所述改性剂为过氧化物，或者为过氧化物和HNO3。根据本专利技术的第三个方面，本专利技术提供了一种纳米碳材料成型体的制备方法，该方法包括将纳米碳材料与粘结剂源混合，将得到的混合物进行成型，得到成型物，将所述成型物进行干燥以及可选的焙烧，所述粘结剂源选自耐热无机氧化物和/或耐热无机氧化物的前身物，所述纳米碳材料为未经表面处理的纳米碳材料和/或经表面处理的纳米碳材料，由X射线光电子能谱确定所述经表面处理的纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素。根据本专利技术的第四个方面，本专利技术提供了一种由本专利技术第三个方面所述的方法制备的纳米碳材料成型体。根据本专利技术的第五个方面，本专利技术提供了一种纳米碳材料的成型方法，该方法包括在密闭容器中，将纳米碳材料在一种水分散液中进行水热处理，将水热处理得到的浆料成型，得到成型物，将所述成型物进行干燥以及可选的焙烧，所述水分散液含有粘结剂源，所述粘结剂源选自耐热无机氧化物和/或耐热无机氧化物的前身物，所述纳米碳材料为未经表面处理的纳米碳材料和/或经表面处理的纳米碳材料，由X射线光电子能谱确定所述经表面处理的纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素。根据本专利技术的第六个方面，本专利技术提供了由本专利技术第五个方面所述的方法制备的纳米碳材料成型体。根据本专利技术的第七个方面，本专利技术提供了根据本专利技术的纳米碳材料成型体作为烃脱氢反应的催化剂的应用。根据本专利技术的第八个方面，本专利技术提供了一种烃脱氢反应方法，该方法包括在存在或不存在氧气的条件下，在烃脱氢反应条件下，将烃与本专利技术第一个方面、第二个方面、第四个方面或者第六个方面所述的纳米碳材料成型体接触。根据本专利技术的纳米碳材料成型体以耐热无机氧化物作为粘结剂将纳米碳材料粘结成型，不仅具有较高的抗破碎强度，而且具有较高的孔隙率，适于作为催化剂、特别是烃脱氢反应的催化剂使用。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术中，纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。本专利技术中，在表示数值范围时，“在×-×的范围内”包括两个边界数值。本专利技术中，“至少一种”表示一种或两种以上。根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及将所述纳米碳材料粘结成型的粘结剂。根据本专利技术的纳米碳材料成型体，所述纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素(下文中，有时也称为含杂原子纳米碳材料)。所述纳米碳材料中O元素以及可选的N元素的含量可以根据该纳米碳材料的来源进行选择，也可以随该纳米碳材料成型体的具体应用场合进行选择。一般地，以所述纳米碳材料的总量为基准并以元素计，O元素的含量可以为2-15重量％，优选为5-12重量％，更优选为7-11重量％；N元素的含量可以为0-5重量％，优选为0.1-5重量％，更优选为1.5-4.5重量％。本专利技术中，各元素的含量采用X射线光电子能谱法测定。样品在测试前在150℃的温度下于氦气气氛中干燥3小时。其中，X射线光电子能谱分析在ThermoScientific公司的配备有ThermoAvantageV5.926软件的ESCALab250型X射线光电子能谱仪上进行测试，激发源为单色化AlKαX射线，能量为1486.6eV，功率为150W，窄扫描所用通透能为30eV，分析测试时的基础真空为6.5×10-10mbar，电子结合能用单质碳的C1s峰(284.0eV)校正，在ThermoAvantage软件上进行数据处理，在分析模块中采用灵敏度因子法进行定量分析。根据本专利技术第一个方面的成型体，所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱中531.0-532.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOc，由X射线光电子能谱中532.6-533.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOe，IOc/IOe在0.1-1的范围内。本专利技术中，由X射线光电子能谱中的O1s谱峰的面积AO1确定O元素的总量，将X射线光电子能谱中的O1s谱峰分成两组峰，即在531.0-532.5eV范围内的谱峰(对应于C＝O物种)以及在532.6-533.5eV范围内的谱峰(对应于C-O物种)，将在531.0-532.5eV范围内的谱峰的面积记为AO2，将在532.6-533.5eV范围内的谱峰的面积记为AO3，IOc/IOe＝AO2/AO3。根据本专利技术第一个方面的成型体，以所述纳米碳材料中C元素的总量为基准，由X射线光电子能谱中284.7-284.9eV范围内的峰确定的C元素的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物，所述纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物，所述纳米碳材料含有O元素以及可选的N元素。2.根据权利要求1所述的成型体，其中，以所述纳米碳材料的总量为基准并以元素计，O元素的含量为2-15重量％，优选为5-12重量％，更优选为7-11重量％；N元素的含量为0-5重量％，优选为0.1-5重量％，更优选为1.5-4.5重量％。3.根据权利要求1或2所述的成型体，其中，所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱中531.0-532.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOc，由X射线光电子能谱中532.6-533.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOe，IOc/IOe在0.1-1的范围内。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的成型体，其中，由X射线光电子能谱中288.6-288.8eV范围内的峰确定的C元素的量为ICc，由X射线光电子能谱中286.0-286.2eV范围内的峰确定的C元素的量为ICe，ICc/ICe在0.1-2的范围内。5.根据权利要求1所述的成型体，其中，所述纳米碳材料中N元素的含量为低于0.1重量％，以所述纳米碳材料的总量为基准并以元素计，O元素的含量为6-12重量％，优选为7-11重量％；C元素的含量为88-94重量％，优选为89-93重量％；所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱中531.0-532.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOc，由X射线光电子能谱中532.6-533.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOe，IOc/IOe优选在0.3-0.95的范围内，更优选在0.5-0.7的范围内；由X射线光电子能谱中288.6-288.8eV范围内的峰确定的C元素的量为ICc，由X射线光电子能谱中286.0-286.2eV范围内的峰确定的C元素的量为ICe，ICc/ICe优选在0.3-1.8的范围内，优选在0.5-1.5的范围内，更优选在0.8-1的范围内。6.根据权利要求1所述的成型体，其中，以所述纳米碳材料的总量为基准并以元素计，O元素的含量为4-20重量％，优选为7-15重量％，更优选为8-10重量％；N元素的含量为0.1-5重量％，优选为0.4-4.8重量％，更优选为1.5-4.5重量％；C元素的含量为75-95.9重量％，优选为80.2-92.6重量％，更优选为85.5-90.5重量％；所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱中531.0-532.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOc，由X射线光电子能谱中532.6-533.5eV范围内的峰确定的O元素的量为IOe，IOc/IOe在0.1-1的范围内，优选在0.2-0.8的范围内，更优选在0.4-0.7的范围内；所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱确定所述纳米碳材料中的N元素的总量为INt，由X射线光电子能谱中398.5-400.1eV范围内的峰确定的N元素的量为INc，INc/INt在0.05-0.5的范围内，优选在0.1-0.4的范围内；由X射线光电子能谱中403.5-406.5eV范围内的峰确定的N元素的量为INn，INn/INt在0.5-0.95的范围内，优选在0.6-0.8的范围内。7.根据权利要求6所述的成型体，其中，所述纳米碳材料中，由X射线光电子能谱中288.6-288.8eV范围内的峰确定的C元素的量为ICc，由X射线光电子能谱中286.0-286.2eV范围内的峰确定的C元素的量为ICe，ICc/ICe在0.1-0.8的范围内，优选在0.25-0.6的范围内。8.根据权利要求6或7所述的成型体，其中，由X射线光电子能谱确定所述纳米碳材料中的N元素的总量为INt，由X射线光电子能谱中400.6-401.5eV范围内的峰确定的N元素的量为INg，INg/INt为不高于0.3，优选在0-0.25的范围内，更优选在0.02-0.2的范围内。9.根据权利要求1-8中任意一项所述的成型体，其中，以所述纳米碳材料中由X射线光电子能谱确定的C元素的总量为基准，由X射线光电子能谱中284.7-284.9eV范围内的峰确定的C元素的含量为60-95重量％，优选为70-92重量％；由X射线光电子能谱中286.0-288.8eV范围内的峰确定的C元素的总含量为5-40重量％，优选为8-30重量％。10.根据权利要求1-9中任意一项所述的成型体，其中，所述纳米碳材料为碳纳米管，优选为多壁碳纳米管；优选地，所述多壁碳纳米管的比表面积在50-500m2/g的范围内，优选在90-280m2/g的范围内，更优选在100-180m2/g的范围内；优选地，所述多壁碳纳米管在400-800℃的温度区间内的失重率为w800，在400-500℃的温度区间内的失重率为w500，w500/w800在0.01-0.5的范围内，优选在0.02-0.3的范围内，更优选在0.1-0.25的范围内，所述失重率在空气气氛中测定。11.一种纳米碳材料成型体，该成型体含有纳米碳材料以及用于将所述纳米碳材料粘结成型的耐热无机氧化物；所述纳米碳材料采用包括以下步骤的方法制得：将一种分散有原料纳米碳材料以及至少一种改性剂的水分散液于密闭容器中进行反应，反应过程中，所述水分散液的温度保持在80-250℃的范围内，所述改性剂为过氧化物，或者为过氧化物和HNO3。12.根据权利要求11所述的成型体，其中，所述改性剂为过氧化物，原料纳米碳材料：过氧化物的重量比在1：0.5-50的范围内，优选在1：1.5-40的范围内。13.根据权利要求12所述的成型体，其中，原料纳米碳材料：H2O的重量比在1：2-50的范围内，优选在1：5-40的范围内，更优选在1：10-30的范围内。14.根据权利要求11所述的成型体，其中，所述改性剂为过氧化物和HNO3，原料纳米碳材料：HNO3：过氧化物的重量比为1：0.01-20：0.01-20，优选为1：0.05-10：0.02-10，更优选为1：0.2-6：0.5-3。15.根据权利要求14所述的成型体，其中，原料纳米碳材料：H2O的重量比为1：2-500，优选为1：15-400。16.根据权利要求11-15中任意一项所述的成型体，其中，所述过氧化物选自过氧化氢和式I所示的有机过氧化物，式I中，R1和R2各自选自H、C4-C12的烷基、C6-C12的芳基、C7-C12的芳烷基以及且R1和R2不同时为H，R3为C4-C12的直链或支链烷基或者C6-C12的芳基。17.根据权利要求11-16中任意一项所述的成型体，其中，反应过程中，所述水分散液的温度保持在110-200℃的范围内；优选地，所述反应的持续时间在0.5-96小时的范围内，优选在2-72小时的范围内，更优选在8-36小时的范围内。18.根据权利要求11-17中任意一项所述的成型体，其中，所述原料纳米碳材料中，N元素的含量为不高于0.2重量％，优选为不高于0.02重量％；O元素的含量为不高于1.5重量％，优选为不高于0.3重量％；金属元素的总量为2.5重量％以下，优选为0.5重量％以下。19.根据权利要求11-18中任意一项所述的成型体，其中，所述原料纳米碳材料为碳纳米管；优选地，所述原料纳米碳材料为多壁碳纳米管；优选地，所述多壁碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：史春风，荣峻峰，于鹏，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11