CN105817243A - 一种碳基材料、其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种碳基材料、其制备方法和用途，该碳基材料包含C、O、Mg、Cl元素，该碳基材料中过氧基团的含量小于2×10^-6mol/g。该碳基材料的制备方法，包括在非活性气氛中，将固体碳源与格氏试剂相互接触一段时间，然后用溶剂除去多余的格氏试剂，干燥。所述的碳基材料可用于烃氧化脱氢制备烯烃。本发明提供的碳基材料氧化脱氢制备烯烃具有较高的转化率和选择性。

Description

一种碳基材料、其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种碳基材料及其制备方法和用途，更进一步说涉及一种含氧碳基材料及其制备方法和用途。

背景技术

碳基材料包括碳纳米管、活性炭、石墨、石墨烯、富勒烯、碳纳米纤维和纳米金刚石等等。碳基材料可以作为烃氧化脱氢的催化材料，例如：文献AppliedCatalysis,29(1987)311-326报道了利用活性炭为催化剂将乙苯氧化脱氢成为苯乙烯，文献ACTAPHYSICAPOLONICA,Vol.118,(2010),459-464报道了利用活性炭为催化剂将正丁烷转化为丁烯和丁二烯。

研究表明，如果在纳米碳材料(例如纳米碳管和石墨烯)表面上修饰含氧、氮等杂原子的饱和及非饱和官能团，可以改变纳米碳材料的催化活性(例如文献CatalysisToday(2005)102-103中的记载)，但是催化活性与修饰之间的相关性并不清楚。

烯烃特别是二烯烃和芳香烯烃是重要的化工原料，例如丁二烯是生产合成橡胶(例如丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶)的主要原料。利用苯乙烯与丁二烯共聚，生产各种用途广泛的树脂(如ABS树脂、SBS树脂、BS树脂和MBS树脂)，使丁二烯在树脂生产中逐渐占有重要地位。此外，丁二烯还可用于生产乙叉降冰片烯(乙丙橡胶第三单体)、1,4-丁二醇、己二腈(尼龙66单体)、环丁砜、蒽醌和四氢呋喃等，因此丁二烯也是重要的基础化工原料。此外，苯乙烯也是重要的合成橡胶和塑料的单体，可以用来生产丁苯橡胶、聚苯乙烯和泡沫聚苯乙烯等；也用于与其他单体共聚制造多种不同用途的工程塑料。如与丙烯腈、丁二烯共聚制得ABS树脂，广泛用于各种家用电器及工业上；与丙烯腈共聚制得的SAN树脂是耐冲击、色泽光亮的树脂；与丁二烯共聚所制得的SBS是一种热塑性橡胶，广泛用作聚氯乙烯、聚丙烯的改性剂等。苯乙烯主要用于生产苯乙烯系列树脂及丁苯橡胶，也是生产离子交换树脂及医药品的原料之一，此外，苯乙烯还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业。

氧化脱氢是制备烯烃的重要方法，例如可以将丁烷氧化脱氢生成1-丁烯，1-丁烯可以进而氧化脱氢生成1,3-丁二烯；也可以将苯乙烷氧化脱氢生成苯乙烯。但是，现有碳基材料催化氧化脱氢制备烯烃存在着难以同时具有较高的选择性和转化率的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种具有较高转化率和选择性的催化烃氧化脱氢制备烯烃碳基材料及其制备方法，本发明要解决的另外技术问题是提供所述碳基材料的用途。

本发明的发明人出乎意料的发现，使用格氏试剂和固体碳源混合，相互接触一段时间，能形成一种能提高氧化脱氢制烯烃转化率和选择性的碳基材料，由此得到本发明。

一方面，本发明提供了一种碳基材料，以该碳基材料的总重量为基准，该碳基材料含有1-99重量％的碳元素、0.2-40重量％的镁元素、5-30重量％的氧元素和0.1-30重量％的卤素元素(ⅦA族元素)例如氯元素；且该碳基材料中过氧基团的含量小于2×10^－6mol/g。

优选的，以碳基材料的总重量为基准，本发明提供的碳基材料含有10-90重量％的碳元素、2-35重量％的镁元素、5-30重量％的氧元素和1-25重量％的卤素元素优选氯元素；该材料中过氧基团的含量优选小于1×10^－6mol/g更优选小于0.5×10^－6mol/g。

更为优选的，以碳基材料的总重量为基准，本发明提供的碳基材料含有50-80重量％的碳元素、5-30重量％的镁元素、5-25重量％的氧元素和2-15重量％的卤素元素优选氯元素；该材料中过氧基团的含量优选小于0.5×10^－6mol/g。

一种实施方式，该碳基材料含有60-75重量％的碳元素、5-15重量％的镁元素、10-25重量％的氧元素和6-15重量％的ⅦA族元素。

本发明所提供的碳基材料，优选的，其结构中含有碳纳米管、富勒烯、纳米碳颗粒、活性炭、碳纳米纤维和纳米金刚石中的至少一种的结构。

本发明还提供了一种制备碳基材料的方法，该方法包括如下步骤：(1)在非活性气氛中，将碳基材料原料与格氏试剂相互接触；(2)用溶剂除去多余的格氏试剂；(3)将(2)所得的物料进行干燥。根据本发明，一种实施方式，所述的碳基材料原料含有氧元素。

根据本发明，所述的格氏试剂为结构式为RMgX的化合物中的一种或多种，其中R可为芳香基也可为烷基，X选自卤素元素中的一种，例如为F、Cl、Br、或I。

另一方面，本发明还提供如上所述的碳基材料在催化烃的氧化脱氢中的用途。

本发明提供的碳基材料，为含氧碳基材料，具有较低的过氧基团(-O-O-)含量。本发明提供的碳基材料可以在烃的氧化脱氢中作为催化剂使用，并且具有较高的烃类催化氧化性能，用于烃氧化脱氢，具有较高的烃原料转化率和目的产物选择性。本发明提供的碳基材料制备方法，可以得到氧含量较高的情况下具有较低的过氧基团含量的碳基材料，可以提高碳基材料的转化率和选择性。本发明提供的碳基材料应用技术方案，能够提高氧化脱氢制备烯烃的转化率和选择性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式加以详细说明。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发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的气体和液体的体积数值均为20℃，1个标准大气压下的数值。

所述的过氧基团可通过碘量法来测量，可参考文献F.P.Greenspan,D.G.Mackellar,AnalyticalChemistry1948,20,1061-1063中介绍的方法。

本发明提供的碳基材料，含有碳元素以及氧、镁和卤素改性元素，碳元素的含量为1～99重量％，例如为10～90重量％、20～85重量％、40～80重量％、40～75重量％、50～80重量％、55～80重量％或60～75重量％；氧元素的含量为5～30重量％，例如为5～25重量％、、8～25重量％、5～20重量％、10～25重量％或10～20重量％；镁元素的含量0.2～40重量％，例如为1～35重量％、2～35重量％、5～30重量％、5～25重量％、3～20重量％、5～15重量％或6～12重量％，卤素的含量为0.1～30重量％，例如为1～25重量％、2～20重量％、2～15重量％、6～15重量％或5～15重量％。所述的碳基材料中过氧基团的含量不超过2×10^－6mol/g，例如为0.2×10^－6mol/g～2×10^－6mol/g，优选不超过1×10^－6mol/g，更优选不超过0.5×10^－6mol/g。所述的卤素为F、Cl、Br和I中的一种或多种，优选为Cl。

本发明提供的碳基材料中，还可以含氢元素。所述氢元素的含量不超过5重量％，例如为0～5重量％、0.1～4.5重量％、0.3～4重量％、0.5～3.5重量％或0.5～3重量％或0.7～2.5重量％。

本发明提供的碳基材料中，还可以含有除了C、H、O、Mg和ⅦA族元素以外的其它元素。所述其它元素的含量可以为0～98重量％，例如为0～85重量％或0～48重量％、0.2～30重量％。所述的其它元素例如除氢以外的ⅠA族元素、除镁以外的ⅡA族元素、ⅢA族元素、除碳以外的ⅣA族元素、ⅤA族元素、除氧以外的ⅥA族元素、过渡金属元素中的一种或多种，所述的其它元素例如硫元素、硅元素、铝元素、过渡金属元素、氮元素、铁元素、硫元素、磷元素中的一种或多种。

本发明提供的碳基材料，优选的，具有碳纳米管、富勒烯、纳米碳颗粒、活性炭、碳纳米纤维或纳米金刚石的结构或具有其中多种的结构，例如可以为具有碳纳米管结构的碳基材料、富勒烯结构的碳基材料、纳米碳颗粒结构的碳基材料、活性炭结构的碳基材料、碳纳米纤维结构的碳基材料或纳米金刚石结构的碳基材料中的一种或多种的混合物。

本发明提供的碳基材料，优选的，其XPS图谱中，镁的2p电子的结合能特征峰的位置大于50.3eV，例如为50.4～52eV或50.4～51eV。

本发明提供的制备碳基材料的方法，包括如下步骤：(1)在非活性气氛中，将碳基材料原料与格式试剂接触反应，接触时间不低于1小时，例如2～24h；(2)用溶剂洗涤以除去多余的格氏试剂；(3)干燥，得所述的碳基材料。

本发明提供的制备碳基材料的方法，所述的步骤(1)中，在非活性气氛中用格氏试剂与碳基材料原料接触，对碳基材料原料进行处理。所述碳基材料原料(本发明也称为固体碳源)含有氧元素，例如所述的碳基材料原料中氧元素含量可以为5-40重量％，例如为5～35重量％、5～30重量％，优选为5-25重量％，进一步优选为5～20重量％。一种实施方式，所述的碳基材料原料中过氧基团含量不低于0.5×10^－6mol/g，例如为0.5×10^－6mol/g～500×10^－6mol/g、2.5×10^－6mol/g～50×10^－6mol/g或3×10^－6mol/g～10×10^－6mol/g，例如可以大于1×10^－6mol/g或不低于2×10^－6mol/g。

所述的碳基材料原料(本发明也称为固体碳源)为具有催化烃的氧化脱氢功能的碳材料，含有氧元素，可以为含氧的碳纳米管、含氧的富勒烯、含氧的活性炭、含氧的纳米碳颗粒、含氧的碳纳米纤维和含氧的纳米金刚石中的一种或多种。优选地，所述碳基材料原料包括含氧的碳纳米管和/或含氧的活性碳。其中，所述含氧的碳纳米管可以包括含氧的单壁碳纳米管和/或含氧的多壁碳纳米管。所述含氧的碳纳米管的比表面积可以为10-300m²/g。

所述碳基材料原料含有氧元素，可以商购或者用不含氧元素的碳基材料(氧含量低于0.1重量％)引入氧元素制得或用氧含量较低的碳材料(碳基材料也称碳材料)经过氧化进一步引入氧元素制得，例如，通过在有氧氛围下将不含氧元素的碳基材料焙烧以引入氧元素，或者通过将不含氧元素的碳基材料与氧化性强酸接触以引入氧元素，也可以通过将氧含量较低的碳基材料在氧气存在下焙烧或将氧含量较低的碳基材料与氧化性强酸接触引入氧以得到氧含量提高的含氧碳基材料。其中，所述氧化性强酸例如为硫酸和/或硝酸。所述的氧化性强酸优选为通过将硫酸与硝酸按照(1-4)：1的体积比混合得到的混合氧化性强酸。所述的不含氧元素的碳基材料例如碳纳米管、富勒烯、活性炭、纳米碳颗粒、碳纳米纤维和纳米金刚石中的一种或多种，优选的，所述的不含氧元素的碳基材料包括碳纳米管和/或活性炭。所述碳纳米管的比表面积可以为10-300m²/g。所述的不含氧元素的碳基材料可以商购或者按照现有方法制备，例如碳纳米管可以按照文献机械工程材料，2003,27(11)：33公开的方法制备。所述氧含量较低的碳材料，可以为氧含量较低的含氧的碳纳米管、含氧的富勒烯、含氧的活性炭、含氧的纳米碳颗粒、含氧的碳纳米纤维和含氧的纳米金刚石中的一种或多种，其氧含量低于由其氧化得到的碳基材料原料的氧含量。所述碳基材料原料(固体碳源)的氧元素含量可以为5-40重量％，优选为5-30重量％，例如为5～25重量％进一步优选为5～20重量％。所述碳基材料原料碳元素的含量可以为50～95重量％例如为60～95重量％、70～95重量％、75～94重量％法或80～90重量％。一种实施方式，所述的碳基材料原料中，碳和氧的总含量不低于90重量％，例如为90～100重量％或90～99.5重量％或95～99重量％。所述的碳基材料原料中还可以含有氢元素，氢元素的含量优选不超过5重量％，例如为0～5重量％、0.1～4重量％或0.5～2重量％。

一种实施方式，所述的碳基材料原料通过将不含氧元素的碳基材料和/或氧含量较低的碳基材料氧化得到，其中所述的氧化使用氧气和/或氧化性强酸进行氧化，所述的不含氧元素的碳基材料和/或氧含量较低的碳基材料氧化后的氧含量比氧化前的氧含量至少提高0.1重量％，例如提高0.2～30重量％、1～25重量％、2～20重量％、4～19重量％、1～5重量％或5～10重量％，所述不含氧的碳基材料中氧含量不超过0.1重量％，碳含量优选不低于95重量％，例如为95～99.9重量％。所述的氧含量较低的碳基材料中氧含量为0.1～38重量％例如为0.2～38重量％或1～35重量％或2～30重量％或3～25重量％或4～20重量％或5～15重量％或6～10重量％或0.5～7重量％、0.1～5重量％或1～5重量％。使用氧气氧化，通常通过在有氧氛围下将不含氧元素的碳基材料焙烧，焙烧的温度例如可以是350～480℃，焙烧时间例如可以是2小时～100小时，有氧气氛氧含量例如为5～30体积％所述有氧气氛例如空气中。所述用氧化性强酸进行氧化，反应条件例如：在0～90℃例如室温下将不含氧元素的碳基材料和/或氧含量较低的碳基材料与氧化性强酸接触，接触时间例如2～100小时，接触过程优选在搅拌下例如机械搅拌下和/或超声波作用下进行。

格氏试剂的结构式为RMgX，其中R可为芳香基也可为烷基，X选自卤素元素中的一种，如：F、Cl、Br等。本发明步骤(1)中所述的格氏试剂可为具有上述结构式的格氏试剂中的一种或多种。

本发明提供的制备碳基材料的方法，其中，所述的非活性气氛是指气氛中的气体在步骤(1)的接触条件下不与格氏试剂发生化学反应使格氏试剂转化为其它物质的气氛，例如所述的非活性气氛中的气体为氮气、氩气、氦气中的一种或多种。

本发明提供的制备碳基材料的方法，步骤(1)中，将碳基材料原料与格氏试剂接触进行反应，可以将碳基材料原料与格氏试剂直接接触例如与未经溶剂溶解的格氏试剂接触或纯的格氏试剂接触，也可以将所述的碳基材料原料与格氏试剂在溶剂的存在下接触。格氏试剂与碳基材料原料(固体碳源)中氧的摩尔比优选为0.01～10，例如为0.1～9、0.3～8、0.7～7、1～7或1.5～7，更优选为0.1～5例如为0.5～2。优选的情况下，所述的碳基材料原料与格氏试剂在溶剂的存在下接触，其中溶剂与碳基材料原料的重量比优选不超过30：1，例如为7～30:1，优选为10～20:1。一种实施方式，碳基材料原料：格氏试剂：溶剂的重量比为1：0.002～0.3：2～30；碳基材料原料、格氏试剂和溶剂形成的混合物中，碳基材料原料的含量为20～200g/L，优选为40～150g/L，格氏试剂与碳基材料中氧的摩尔比优选为1～20:1。

本发明对格氏试剂与碳基材料原料接触的温度没有特殊要求，例如在温度为0～200℃下接触，通常可以在室温下操作，所述的室温可以为15～40℃。当在接触过程中使用溶剂时，优选的，接触温度为使溶剂为液体的温度，通常大于溶剂的凝点，不高于溶剂的沸点。本发明对接触时的压力没有特殊要求，在常压下操作即可，例如可以在大气压力下或0.5～1.1atm下操作。接触的时间优选为1小时以上，例如可以为1.5～150、2～100小时、2～50小时、4～30小时、8～28小时或为2～24小时。

本发明提供的制备碳基材料的方法，步骤(2)中，用溶剂溶解未与碳基材料反应的格氏试剂。例如可以将步骤(1)得到的与格氏试剂接触后的碳基材料与溶剂混合，过滤。所述的步骤(2)可以重复一次或多次，例如可以进行3～5次，以使碳基材料中未反应的格氏试剂溶解。每次洗涤的溶剂用量没有特殊要求，例如洗涤过程中溶剂与碳基材料的重量比为2～20:1或5～10：1。其中，所述的溶剂，为格氏试剂易溶的有机溶剂，如醚和/或四氢呋喃，所述的醚优选为低碳醚，其分子中碳原子数为8个以下，例如分子中碳原子数为2～8个的醚中的一种或多种，优选为***和/或四氢呋喃。

本发明提供的碳基材料制备方法中，步骤(3)进行干燥的作用是除去碳基材料中的溶剂，可以在非活性气氛中进行，也可以在含氧气氛中进行，还可以依次在非活性气氛和含氧气氛中进行，其中，所述的非活性气氛是指由非活性气体形成的气氛，所述非活性气体例如零族元素气体(如氦气、氖气、氩气)和/或氮气。优选地，所述干燥在非活性气氛中进行。进行干燥的温度可以在较大范围变化，干燥的温度例如为20～200℃，优选为60～120℃，干燥后可以自然冷却降温例如降至室温。室温可以是15～40℃。

本发明还提供了所述的碳基材料在催化烃的氧化脱氢中的用途。该用途通常包括在氧化脱氢的条件下将包括烃、载气、氧气的混合气体与所述碳基材料接触的步骤。其中，所述烃的分子中碳原子数可以为2-12，所述烃包括烷烃、烯烃和非苯的芳香烃中的至少一种。其中，优选地，所述烃包括丁烷、1-丁烯、乙苯、丙烷、乙烷和戊烷中的至少一种。烃的氧化脱氢的条件可以为低碳烷烃催化氧化脱氢反应常规的工艺条件，例如，反应的温度可以为350-550℃，烃的浓度可以为1-3体积％，烃和氧气的摩尔比可以为(0.2-3):1，载气为烃氧化脱氢反应中常用的载气，例如可以为氮气、CO₂和水中的一种或多种，例如为氮气。

以下通过实施例进一步详细说明本发明。以下实施例和对比例中，如未特别说明，所用到的试剂均为市售的分析纯试剂。其中，碳纳米管(原始碳纳米管)的含碳量大于95重量％，灰分小于1.5重量％，比表面积为160m²/g，购自中国科学院金属研究所；含有氧元素碳纳米管的含碳量大于85重量％，氧元素含量为10重量％，灰分小于1.5重量％，比表面积为200m²/g，购自中国科学院金属研究所。含氧的活性炭灰分小于0.8重量％，比表面积为819m²/g，氧含量9.53重量％，碳含量88.4％。购自中国科学院成都有机化学有限公司。

所述的过氧基团的含量分析方法如下：

将0.3g待测碳材料样品加入到由10mLKI(100g/L)，5mLH₂SO₄(0.1mol/L)，30mL去离子水和3滴(NH₄)₆Mo₇O₂₄(30g/L)组成的溶液中，避光25℃超声30min，完成反应(1)，将混合物过滤并用去离子水洗涤5次，收集所有滤液并用Na₂S₂O₃(0.002mol/L)溶液滴定碘的含量，如反应(2)所示。过氧基团的浓度由式(3)计算得到，其中c(mol/g)、V(mL)和m(g)分别代表过氧基团的含量(或称浓度)、消耗Na₂S₂O₃溶液的体积和加入待测碳材料的质量。

O₂ ^2-+2KI+2H₂SO₄→O^2-+2KHSO₄+I₂+H₂O(1)

I₂+Na₂S₂O₃→2NaI+Na₂S₄O₆(2)

$c=2\×{10}^{-6}\×\frac{V}{m}---\left(3\right)$

元素含量分析采用XRF分析法。

镁的2P电子结合能特征峰的位置通过XPS方法测定，X射线光电子能谱(XPS)分析在ThermoScientific公司的ESCALab250型X射线光电子能谱仪上进行。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(284.6eV)校正。相关数据处理在X射线光电子能谱仪自带的ThermoAvantage软件上进行，版本号为V5.926，在分析模块中采用业界熟知的灵敏度因子法进行定量等分析。

实施例1

(1)将10g碳纳米管加入到装有500mL混合酸(V_硫酸︰V_硝酸＝3)的烧杯中，然后将烧杯置于超声波清洗器中，超声10h后，用去离子水洗至滤液呈中性。最后将滤饼放入120℃的烘箱中干燥12h，即可得到氧的质量百分含量约为14％碳纳米管(o-CNT)。

(2)按照1go-CNT加入20mL1.0M的苯基氯化镁***溶液的比例将o-CNT与苯基氯化镁***溶液混合，室温(例如25℃)搅拌2h，1atm沸点下回流12h，用***洗涤4～5次，于80℃下干燥2h，即得本发明提供的碳基材料。该碳基材料具有碳纳米管结构，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

实施例2

同实施例1步骤(2)，不同的是步骤(2)中用氧含量为9.53重量％的活性炭代替所述o-CNT。所得碳基材料为活性炭结构，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

实施例3

同实施例1，不同的是(2)中加入浓度为1.0M的丁基氯化镁***溶液代替所述的苯基氯化镁***溶液。得到碳纳米管结构的碳基材料，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

实施例4

同实施例1，不同的是步骤(1)中将10g碳纳米管在空气中，于450℃焙烧4h，得到氧含量为5％的碳纳米管(5％o-CNT)。得到碳纳米管结构的碳基材料，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

实施例5

同实施例1，不同的是步骤(2)中不加入所述的苯基氯化镁***溶液而加入30mL1.0M苯甲基氯化镁***溶液，回流24h，得到碳纳米管结构的碳基材料，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

实施例6

同实施例1，不同的是(2)中加入20mL1.0M苯甲基氯化镁四氢呋喃溶液而不加入所述的苯基氯化镁***溶液，在70℃回流24h。得到的碳纳米管结构的碳基材料，其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1。

对比例1

室温(25℃)下，将固体碳源(不含有氧元素的碳纳米管)、前驱体(六水硝酸镁)和水搅拌混合6h，得到混合后的物料，其中，所述固体碳源中的碳元素与所述前驱体中的镁元素的重量比为1：0.5，水与所述固体碳源的重量比为40：1，将上述得到的混合后的物料进行干燥，干燥的温度为120℃，直至混合后的物料基本上保持恒重(干燥的时间为6h)，得到干燥后的物料，然后将得到的干燥后的物料在330℃的焙烧温度下，在空气中焙烧2h，然后在430℃的焙烧温度下，在空气中焙烧2h，将焙烧后的物料作为本对比例的碳基材料。其组成、过氧基团含量和镁的2P电子结合能特征峰表征结果见表1

测试例

将0.2g的实施例1-6、对比例1得到的碳基材料以及如上所述直接购买原始碳纳米管和实施例1步骤(1)得到的含氧碳纳米管(o-CNT)作为催化剂，分别装填到通用型固定床微型石英管反应器中，微型石英管反应器两端封有石英砂，在0.1MPa和450℃(活性炭的反应温度为400℃)条件下，将含有烃和氧气的气体(丁烷的浓度为1.98体积％，丁烷和氧气摩尔比0.5:1，平衡气为氮气，占余量)总体积空速为1000h^-1下进行反应，反应8小时后测定丁烷转化率、丁二烯选择性和总烯烃选择性，结果列于表2中。

表1

表2

由表2可见，本发明提供的碳基材料可以具有较高的丁烷转化率，并具有更高的总丁烯选择性，具有更高的丁二烯选择性，本发明提供的碳基材料制备方法，可以明显提高碳基材料的丁二烯选择性和总丁烯选择性。

Claims (20)

1.一种碳基材料，其特征在于，以该碳基材料的总重量为基准，该碳基材料含有1-99重量％的碳元素、0.2-40重量％的镁元素、5-30重量％的氧元素和0.1-30重量％的ⅦA族元素；且该碳基材料中过氧基团的含量小于2×10^－6mol/g。

2.根据权利要求1所述的碳基材料，其特征在于，以该碳基材料的总重量为基准，该碳基材料含有10-90重量％、40～80重量％、50～80重量％或60～75重量％的碳元素。

3.根据权利要求1或2所述的碳基材料，其特征在于，以该碳基材料的总重量为基准，该碳基材料含有2-35重量％、5-30重量％、5～20重量％、5～15重量％或6～12重量％的镁元素。

4.根据权利要求1、2或3所述的碳基材料，其特征在于，该碳基材料含有5-30重量％、5-25重量％、8～25重量％或10～20重量％的氧元素。

5.根据权利要求1～4任一项所述的碳基材料，其特征在于，该碳基材料含有1-25重量％、2～20重量％、2～15重量％或5-15重量％的ⅦA族元素；所述的ⅦA族元素可为氟、氯、溴、碘中的一种或多种；所述的ⅦA族元素优选为氯。

6.根据权利要求1～5任一项所述的碳基材料，其特征在于，该碳基材料中过氧基团的含量小于1×10^－6mol/g；优选的，该碳基材料中过氧基团的含量小于0.5×10^－6mol/g或为0.2～2×10^－6mol/g。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的碳基材料，其特征在于，该碳基材料的结构中含有碳纳米管、富勒烯、纳米碳颗粒、活性炭、碳纳米纤维或纳米金刚石中的至少一种的结构。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的碳基材料，其特征在于，该碳基材料的XPS图谱中，镁的2p电子的结合能特征峰的位置大于50.3eV。

9.一种制备碳基材料的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)在非活性气氛中，使碳基材料原料与格氏试剂接触，(2)用溶剂除去未反应的格氏试剂；(3)将步骤(2)所得的碳基材料进行干燥。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，格氏试剂与碳基材料原料中氧的摩尔比为0.01～10，优选为0.1～5。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳基材料与格氏试剂接触，接触温度为0～200℃，接触时间至少1小时；所述的接触时间优选为2～100小时、2～28小时或2～24小时。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的格氏试剂为结构式为RMgX的化合物中的一种或多种，其中R为芳香基或烷基，X选自卤素元素中的一种，优选为F、Cl或Br；所述的碳基材料原料为含氧的碳纳米管、含氧的富勒烯、含氧的纳米碳颗粒、含氧的活性炭、含氧的碳纳米纤维或含氧的纳米金刚石中的一种或多种。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的非活性气氛为氮气、氩气、氦气中的一种或多种。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碳基材料原料中氧的含量为5～40重量％，氧的含量优选可以为5～35重量％、5～30重量％、5～25重量％或5～20重量％。

15.根据权利要求9或14所述的方法，其特征在于，碳基材料原料由不含氧元素的碳基材料和/或氧含量较低的碳基材料在含氧气氛中焙烧氧化和/或与氧化性强酸接触氧化得到，其中所述氧化使不含氧元素的碳基材料和/或氧含量较低的碳基材料氧化后的氧含量比氧化前的氧含量至少提高0.1重量％。

16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的接触在溶剂存在下进行，所述溶剂与碳基材料原料的重量比优选不超过30：1，例如为7～30:1或10～20:1。

17.根据权利要求9或16所述的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)中所述的溶剂为醚和/或四氢呋喃；所述的醚优选为分子中碳原子数为2～8个的醚中的一种或多种，所述的溶剂优选为***和/或四氢呋喃。

18.根据权利要求9或14所述的方法，其特征在于，所述的碳基材料原料中过氧基团含量不低于0.5×10^－6mol/g，例如不低于2×10^－6mol/g。

19.权利要求1-8任意一项所述的碳基材料在催化烃氧化反应中的用途。

20.根据权利要求19所述的用途，其中，所述烃的碳原子数为2-15，所述烃包括烷烃、烯烃和含有烷基的芳香烃中的至少一种；所述烃优选为丁烷、1-丁烯、乙苯、丙烷、乙烷和戊烷中的一种或多种。