创新点：大连理工大学化工学院赵忠奎教授带领研究组，采用两步化学气相沉积技术，在较粗碳纳米管上生长较细碳纳米管，制备了类枝干状碳纳米管基整体式纳米碳，解决了泡沫碳化硅基质因表面积小而不利于生长碳纳米管的问题。构筑了高效乙苯直接脱氢制苯乙烯整体式纳米碳催化剂，获得了8.4 mmol g^-1 h^-1的苯乙烯产率和98.2%的选择性，并避免了价格昂贵、制备困难的、研究较为深入的纳米金刚石的使用，颇具应用潜力。

关键词：整体式催化剂，纳米碳材料，化学气相沉积，乙苯脱氢，苯乙烯合成

相对于金属催化剂，纳米碳催化剂原料来源广、可持续、价格低，且可以避免金属催化剂由于金属流失对产品的金属残留污染问题。因此，近年来，可持续的非金属纳米碳作为金属催化剂的替代品在多相催化领域引起了研究者们的极大兴趣。迄今，纳米碳催化，业已在热催化、光催化和电催化领域得到广泛关注，展示了极大的应用前景和开发潜力。苯乙烯是重要的化工原料和高分子中间体，其合成主要是采用铁基催化剂催化过热水蒸气存在下的乙苯直接脱氢反应工艺，存在积碳失活及能耗巨大的问题。纳米碳，尤其是纳米金刚石，用于该反应，展示较好的性能，且无需通入过热水蒸气，催化剂抗积碳稳定性高，因此，具有较好的前景。但是，纳米金刚石，制备条件苛刻，成本高，限制了其工业应用。为此，我们研究组开展了碳纳米管催化乙苯脱氢制苯乙烯研究，发现，尽管碳纳米管催化性能比纳米金刚石略差，但其是纳米金刚石之外的不二选择。还发现，通过改性处理，可以获得比未处理的纳米金刚石更优良的催化性能。综合考量，碳纳米管基催化剂用于苯乙烯合成，颇具前景。另一方面，尽管可持续的纳米碳粉末在诸多反应中展示了良好催化性能，但在实际工业应用中，粉末状纳米碳催化剂用于固定床反应工艺，存在压力降大的问题，从而造成堵管甚至安全隐患；采用流化床反应器，催化剂的分离难度大。因此，纳米碳催化剂的工业应用受到极大限制，这已成为纳米碳催化剂工业化的瓶颈。为了加快纳米碳催化剂的工业化应用进程，开展纳米碳催化剂的成型工艺研究十分必要。采用常用的挤压成型方式，需要加入大量热塑性酚醛树脂，这将会改变纳米碳的材料微结构，覆盖活性位，降低催化剂活性位的可接近性；将纳米碳粉末如碳纳米管、石墨烯等自组装成纳米碳宏观结构，一般表现出超轻的特征和较低的机械强度和压力形变，不适合在催化反应中的应用；以泡沫碳化硅、蜂窝堇青石为基质制备担载的纳米碳整体式催化剂，基质表面积小，载量较低，且存在严重的纳米碳脱落问题。需要探索一种新策略解决这些问题。

针对上述问题，近来，大连理工大学赵忠奎教授带领先进催化材料课题组，以泡沫碳化硅为基质，通过两步化学气相沉积，在较粗碳纳米管上生长较细碳纳米管，制备了类枝干状碳纳米管基整体式纳米碳，解决了泡沫碳化硅基质因表面积小而不利于生长碳纳米管的问题。构筑了高效乙苯直接脱氢制苯乙烯整体式纳米碳催化剂，获得了8.4 mmol g^-1 h^-1的苯乙烯产率和98.2%的选择性，并避免了价格昂贵、制备困难的、研究较为深入的纳米金刚石的使用，颇具应用潜力。此外，本工作也为其他反应过程用纳米碳基整体式的设计和开发提供了一些参考。

Quasi-Tree Shaped Carbon Nanotubes-Based Monolithic Carbocatalysts for Direct Dehydrogenation of Ethylbenzene to Styrene

Xinyue Wang, Yu Zhang, Prof. Zhongkui Zhao

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202401922