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摘 要

丙烷脱氢反应是满足丙烯需求较为有效的方法。目前，丙烷脱氢催化剂的研究大多集中在对不同类型的载体的筛选和不同金属助剂的添加上因而忽略了对载体微结构的控制。本论文主要利用生物模板法在纤维态Al₂O₃上垂直生长LDHs形成具有一定形貌和多层分级结构的丙烷脱氢催化剂载体，并结合形貌可控的优点考察对丙烷脱氢性能的影响，以获得性能优异的催化剂。本文通过调控合成条件(主要是尿素的用量)，已经成功合成了几种不同形貌的PtSn型催化剂，并分别对其催化性能进行了研究。在实验的过程中，通过使用SEM、TEM、XRD和EDX等仪器表征了载体的结构和形貌。结果发现，当调控尿素用量时，所制得的LDHs具有不同的形貌。此外，NH₃-TPD、H₂-TPR、TPO等仪器被用来分析催化剂的催化性能。分析结果显示，不同形貌的催化剂的酸性、TPR曲线以及积碳情况都有所不同，表明了其催化性能的不同。最后，以丙烷脱氢反应为探针，检测了这几种催化剂的反应活性。评价数据表明，与PtSn/Al₂O₃-LDHs-0.5、PtSn/Al₂O₃-LDHs-3.0和PtSn/LDHs等催化剂相比、PtSn/Al₂O₃-LDHs-1.5催化剂的催化活性最高,这是由催化剂载体的不同形貌决定的。以上结果证明，通过利用生物模板法制备形貌可控的LDHs，可以有效地调控催化剂的催化性能，以便于明确独特形貌和结构参数对催化剂反应性能的作用机制。

关键词：丙烷脱氢，形貌可控，纤维态Al₂O₃，LDHs，PtSn型催化剂

CONTROLLABLE PREPARATION OF LDHS AND ITS APPLICATION IN PROPANE DEHYDROGENATIONREACTION

Abstract

Propane dehydrogenation reaction is an effective method to meet the demand of propylene. At present, the research of propane catalytic dehydrogenation focuses primarily on selecting different types of carrier and adding the different kinds of metal additives, while ignoring the control of the carrier microstructure. In this work, we have fabricated LDHs, vertically growing on fiber state Al₂O₃, by the method of biological template, to form propane dehydrogenation catalyst carrier which possesses certain morphology of multi-layer hierarchical structure. Meanwhile, we also combined with the advantages of controllable morphology to study the performance of propane dehydrogenation for obtaining excellent catalytic properties. In this article, by regulating the synthesis conditions, we have successfully synthesized different morphology of PtSn catalysts, and studied their catalytic properties, respectively. In this experiment, the SEM, TEM, XRD and EDX instruments were adopted to confirm the successful synthesis of different carriers. It was found that when adding the different dosage of the urea, the LDHs obtained have different morphology. In addition, NH₃-TPD, H₂-TPR and TPO instruments were used to analyze performance of catalyst. The results present the different catalyst acidity, TPR curves and carbon deposition conditions, showing that the different carriers possess different catalytic performance, respectively. Finally, the propane dehydrogenation reaction was employed as a model reaction to test catalytic performance in this work. The datum show that compared to PtSn/Al₂O₃-LDHs-0.5, PtSn/Al₂O₃-LDHs-3.0 and PtSn/LDHs catalysts, the PtSn/Al₂O₃-LDHs-1.5 shows the highest catalytic activity, which is determined by various morphology of the catalyst carrier. The above results show that different morphology of carriers prepared by using template method can effectively control the catalytic performance. Thus, by controlling the morphology of the carriers, we can demonstrate conveniently how to affect the catalytic reaction by unique morphology and structure parameters.

Keywords: Propane dehydrogenation reaction, controllable morphology, liber state Al₂O₃, LDHs, PtSn catalysts

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 LDHs的概述和发展前景 2

1.2.1 LDHs简述 2

1.2.2水滑石类化合物的特性 2

1.2.3水滑石类化合物的制备方法 3

1.2.4分级结构水滑石类化合物研究进展 4

1.2.5分级结构水滑石类化合物展望 4

1.3生物模板法的研究进展 5

1.3.1生物大分子和微生物模板 6

1.3.2植物组织模板 6

1.3.3动物组织模板 7

1.4 丙烷脱氢催化剂的选用 8

1.5本文研究的目的和思路 8

1.5.1选题背景和意义 8

1.5.2课题关键问题及难点 9

1.5.3可行性分析 9

1.5.4预期的成果 10

第二章 实验部分 11

2.1制备纤维态的Al₂O₃ 11

2.2制备多组分Al₂O₃-LDHs复合材料 11

2.3丙烷脱氢催化剂的制备 11

2.4共沉淀法制备PtSn/LDHs催化剂 12

2.5 Al₂O₃-LDHs材料的表征 12

2.6丙烷脱氢催化反应的表征 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 载体材料的表征 13

3.2 催化剂的表征 16

3.2.1不同催化剂的NH₃-TPD 表征 16

3.2.2不同催化剂的H₂-TPR 表征 17

3.2.3不同催化剂的丙烷脱氢性能 18

3.2.4催化剂积碳分析 19

结论 21

致谢 22

参考文献 23

第一章 绪论

1.1引言

复合材料的性能由其组分和微观结构所决定^[1]。当今由于人们对于复合材料的研究和应用不断深入，因此对复合材料的组分和微结构的设计的要求也越来越高。随着复合材料合成过程中自下而上的组装^[2]、原子层沉积^[3]和外延生长^{[4, 5]}等复合材料合成技术的发展，人们对复合材料的微观结构和性能的控制得以实现。

LDHs是一种具有独特片状结构的层状双金属氢氧化物。由于其可调的结构与组分、良好的生物兼容性，使其在催化剂的制备、化工分离、光电材料、生物材料等领域得到广泛的研究和应用。LDHs的层状结构是由带正电荷的层板和带负电荷的层间阴离子在很强的静电引力作用下和氢键的作用下形成^[6]。许多LDHs材料层板之间的距离仅有0.5 nm左右，过小的层间距使得一些体积较大的分子难以插入到LDHs层间，严重影响了LDHs的表面性能。因此，控制LDHs形貌，制备分级多孔的LDHs具有重要的研究意义。

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