“…Key words: carbonyl group; graphite sheet; oxidative dehydrogenation; propane; propene 丙烯是全球最重要的化工原料之一, 传统的丙 烯生产工艺主要是利用石脑油作为原料通过热裂解 和催化裂解来生产烯烃, 整个过程的能耗较高且反 应可控性差, 目标产物收率低 [1] 。 通过丙烷直接脱氢 技术可以一步制取烯烃, 实现廉价烷烃的高附加值 利用, 因而成为近几年推动丙烯产量提升的新型工 艺 [2] 。 虽然丙烷直接脱氢技术原子利用率高, 但是从 化学反应角度考虑, 该过程受热力学平衡限制, 反 应强吸热, 需要较高的能耗, 增加了生产成本 [3][4] 。 在反应中引入氧化剂可以不受热力学限制, 并 且可以降低裂解产物的生成并消除积碳的影响, 从 而从根本上解决直接脱氢工艺中存在的问题 [5] 。但 是, 氧化脱氢过程中容易出现烯烃的过度氧化, 降 低目标产物的选择性。这一不利因素严重制约了氧 化脱氢工艺的工业化, 因此, 研究和开发一种高烯 烃选择性的催化剂至关重要 [6][7] 。 在现有的丙烷氧化脱氢制丙烯催化剂中, 负载 在二氧化硅、氧化锆和氧化铝等载体上的氧化钒是 研究最多的催化剂 [8] 。 但是作为金属氧化物, 此类催 化剂的活性较高, 反应过程中容易出现深度氧化产 物, 降低了目标产物的选择性 [9] 。近年来, 很多研 究者把研究方向转移到非金属材料上。2016 年, Hermans 课题组 [10] 首次利用六方氮化硼(h-BN)材料 催化丙烷氧化脱氢制丙烯, 当丙烷转化率为 14%时, 丙烯的选择性依然维持在 79%, 而且副产物主要是 乙烯, 深度氧化产物 CO 2 很少。 h-BN 催化过程主要 是利用 B-OH 和 B-O 之间的相互转换来活化并脱去 丙烷中的氢原子, 正是利用发生在催化剂表面可控 的氧化还原反应, 实现烯烃选择性高的目标 [11] 。h-BN 活性位的构建以及催化机理的研究为发展全新的催 化剂提供了一种新的思路。 石墨作为一种自然矿藏, 在我国储量丰富, 开 采便利。 相比较于氮化硼材料, 石墨片价格低廉, 更 易大规模获取 [12] 12.4%, 丙烯的选择性依然高达 73.9%, 深度氧化产 物 CO x 为 10%左右。羰基化石墨片的烯烃选择性, 远高于利用相同气相氧化处理得到的碳纳米管催化 剂 [13] , 十分接近现有报道中性能最优的氮化硼材 料 [10] 。当反应温度继续升高时, 丙烷的转化率迅速 提高。 结合图 2(b)可以看到, 当丙烷的转化率为 26% 时(温度为 535 ℃), 丙烯的选择性依然有 57.5%, 丙 烯的收率为 15%, 而烯烃的总收率突破了 20%。以 上数据充分体现了羰基化石墨材料催化丙烷氧化脱 氢制烯烃的优异性能 [14] Fig. 7 N 2 adsorption/desorption isotherms (a) and DFT pore size distribution (b) of carbonyl groups graphite sheets before (fresh) and after (spent) ODHP test 比表面积有所增加, 结合图 7(b)中的孔径分布, 可 以发现孔有所增加。这是由于在反应过程中, 氧气 的缓慢侵蚀作用, 使得堆积孔增多, 从而使催化剂 变得更加蓬松, 提高了比表面积。 反应前后的红外光谱图汇总于图 8 中, 通过气 相氧化处理, 石墨片在 1639 cm -1 附近出现对应羰 基的特征峰 [16] , 由此推测羰基化石墨片催化丙烷氧 化脱氢的活性位点应该是石墨片边沿的羰基 [17] 。而 测试完后石墨片的羰基含量明显增多, 且 3450 cm -1 左右的羟基特征峰的面积也在增大 [18] 。前者主要由 于氧气与石墨片的反应, 形成更多的羰基, 后者则 主要来源于羰基与丙烷中的氢原子反应。 为了进一步了解催化剂的成分和活性位的状态, 采用 XPS 对催化剂进行表征, 结果汇总于图 9。由 图 9(a)可以看到, 催化反应后, 氧的含量从 1.94%增 加到反应后的 2.47%, 说明氧气与边沿位的碳继续 反应, 进而形成更多的羰基, 从而提高了氧含量。 图 9(b)的 O1s 谱图中两个峰位分别为 533.0 和 531.8 eV, 分别对应着羟基和羰基两种官能团 [19][20]…”