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低碳烷烃(C1-C4)的价格低廉、来源广泛,是石油化工领域重要的生产原料。以正丁烷作原料生产丁烯和丁二烯,进而合成橡胶和树脂等大众化工产品具有很大的经济效益。传统的活性炭(AC)比表面积大、边缘位丰富、易于吸附活化氧气分子,同时其制造工艺成熟,成本低廉来源广泛,具有很好的工业化应用前景。然而AC催化剂无序度高,抗氧化能力差,在烷烃氧化脱氢反应中,难以在气相氧化脱氢反应中应用。纳米碳材料(如碳纳米管,CNTs)表面有序度高,抗积炭性能佳,在烷烃氧化脱氢反应中表现出优异的催化性能,且表面的羰基C=O基团已被证实为催化脱氢反应的活性中心。但是,现已报道的硝酸液相氧化方法在纳米碳材料表面产生的含氧官能团种类复杂,并且处理过程中会产生废酸废液,不适于工业化规模生产。因此,本课题以烷烃脱氢反应为目标反应,围绕碳基材料表面活性含氧官能团的定向修饰及其在烷烃脱氢反应中的应用展开,重点研究碳材料表面结构与催化性能间的构效关系,具体内容如下:1.报道了一种固相改性CNTs制备高选择性丁烷氧化脱氢催化剂的方法,通过浸渍法将硝酸镁负载在CNTs表面,利用硝酸镁高温分解过程中产生的NOx在CNTs表面原位制造碳骨架缺陷,这些缺陷在反应气氛下选择性地生成活性基团C=O,同时引入的氧化镁(MgO)纳米颗粒可以加速产物烯烃的脱附,抑制了产物的过度氧化,因而所制备的催化剂具有较高的脱氢选择性(58%)和脱氢产率(11.4%),优于已报道的纳米碳催化剂。2.将硝酸镁固相改性方法进一步拓展应用于还原氧化石墨烯(rGO)表面的修饰,以硝酸镁为前驱体制备MgO-rGO复合催化剂,研究其在乙苯直接脱氢反应中的催化行为。研究结果表明MgO颗粒会与石墨烯片层形成三明治结构,有利于反应物乙苯扩散至活性位,提高了乙苯转化效率。并且MgO的引入可以促进产物苯乙烯的脱附,提高石墨烯催化剂的脱氢选择性。此外拓展固相改性方法前驱体,利用硝酸铈可以在CNTs表面产生明显的孔洞缺陷,但这种缺陷在烷烃氧化脱氢气氛下不稳定,整体催化剂稳定性较差。3.利用高温焙烧方法可以得到表面部分石墨化的AC催化剂,且其催化丁烷氧化脱氢生成C4烯烃的选择性和收率分别为41.5%和13.2%,优于之前报道的非金属碳基催化剂。研究表明AC材料石墨化转变可以改善AC催化剂的抗氧化性能和催化稳定性,同时石墨化的边缘位有利于选择性地生成活性C=O基团。