多级孔ZSM-5分子筛: 丰富的外表面酸中心和良好的二甲苯异构化催化性能

多级孔沸石分子筛的结构性质及其催化性能是近年来分子筛研究的热点.本文采用蒸汽辅助晶化的方法制备了多级孔ZSM-5沸石分子筛,采用NH₃程序升温脱附和原位吸附红外光谱等方法研究了其表面酸性质,用邻二甲苯异构化反应考察了其催化性能.结果表明,多级孔结构分子筛的结晶度和总酸量有所下降,但Lewis酸中心却有所增加.进一步研究发现,多级孔结构分子筛的外表面酸中心数量远高于常规分子筛,从而证实了多级孔结构可以将更多的酸中心暴露到外表面;而外表面酸中心数量的增多和扩散传质的改善是多级孔ZSM-5分子筛在邻二甲苯异构化反应中具有更高催化活性和对二甲苯产率的重要原因.     

利用双模板剂的多级孔ZSM-11分子筛的合成、表征和催化性能

ZSM-11与ZSM-5分子筛具有相似的孔道结构,通常表现出相似的催化性能,但近年来的研究发现,ZSM-11分子筛在某些反应过程具有明显优于ZSM-5的催化性能,因而逐渐引起科研界和工业界的广泛重视.但受其微孔尺寸的限制,在使用过程中往往容易积碳,并导致快速失活.为此,向微孔体系引入介孔制备多级孔ZSM-11分子筛是一种规避上述问题的有效方式.我们研究组前期已对分子筛进行碱处理脱硅及在该体系中加入CTAB制备多级孔分子筛进行了系统研究.在此基础上本文通过改变介孔模板剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和微孔模板剂四丁基溴化铵(TBABr)的摩尔比(R),采用一步法制备了一系列多级孔ZSM-11分子筛材料,并通过多种表征手段对材料的性质进行了系统研究.随着R值的增加,广角XRD测试结果表明,产物的结晶度逐渐下降,同时小角XRD测试结果表明产物中逐渐产生有序介孔相; XRF测试结果表明,产物的总包硅铝比呈上升趋势; SEM表征结果表明,首先棒状纳米晶团聚体形貌的ZSM-11分子筛的晶粒尺寸逐渐降低,随后晶粒之间插入无定形样品,直至最终产物几乎完全为无定形材料构成; TEM图片与上述表征结果一致,样品初始晶格条纹清晰且晶粒边缘规整,随后晶粒边缘开始弯曲不平,接着晶体样品中开始产生有序介孔材料,最终几乎完全变为有序介孔材料.综合上述表征结果和相关文献可推测,该有序介孔材料为类MCM-41材料.另外,我们采用N2物理吸附对材料的织构性质进行了考察,发现随着R值增大,产物的微孔减少,介孔增多.然而TEM结果表明,在类MCM-41产生之前,样品中介孔的增多并非来源于晶内孔,而是来源于晶粒之间的堆积孔,这是由于在合成过程中CTAB胶束嵌入ZSM-11的晶粒之间所导致.合成体系的碱度对产物的物化性质和织构性质也起了非常重要的作用.我们将这个体系与NaOH+CTAB对分子筛进行脱硅后处理体系进行了对比,发现虽然前者只能产生晶间孔而后者可产生晶内孔,但碱度对两者的作用相似,即降低碱度均可导致类MCM-41有序介孔相的产生.此外,还通过NH3-TPD和Py-IR技术对材料的酸性进行了考察.基于上述研究结果,提出了多级孔ZSM-11分子筛的形成机理.随着R值的变化,CTAB分别起了覆盖效应、胶束效应和模板效应.这些效应在合成多级孔ZSM-11分子筛过程中相互协同,同时又与TBABr的结构导向效应相互竞争,进而影响合成产物的孔结构、形貌、酸性以及用于二甲醚和苯烷基化的催化性能.     

利用双模板剂的多级孔ZSM-11分子筛的合成、表征和催化性能（英文）

ZSM-11与ZSM-5分子筛具有相似的孔道结构,通常表现出相似的催化性能,但近年来的研究发现,ZSM-11分子筛在某些反应过程具有明显优于ZSM-5的催化性能,因而逐渐引起科研界和工业界的广泛重视.但受其微孔尺寸的限制,在使用过程中往往容易积碳,并导致快速失活.为此,向微孔体系引入介孔制备多级孔ZSM-11分子筛是一种规避上述问题的有效方式.我们研究组前期已对分子筛进行碱处理脱硅及在该体系中加入CTAB制备多级孔分子筛进行了系统研究.在此基础上本文通过改变介孔模板剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和微孔模板剂四丁基溴化铵(TBABr)的摩尔比(R),采用一步法制备了一系列多级孔ZSM-11分子筛材料,并通过多种表征手段对材料的性质进行了系统研究.随着R值的增加,广角XRD测试结果表明,产物的结晶度逐渐下降,同时小角XRD测试结果表明产物中逐渐产生有序介孔相;XRF测试结果表明,产物的总包硅铝比呈上升趋势;SEM表征结果表明,首先棒状纳米晶团聚体形貌的ZSM-11分子筛的晶粒尺寸逐渐降低,随后晶粒之间插入无定形样品,直至最终产物几乎完全为无定形材料构成;TEM图片与上述表征结果一致,样品初始晶格条纹清晰且晶粒边缘规整,随后晶粒边缘开始弯曲不平,接着晶体样品中开始产生有序介孔材料,最终几乎完全变为有序介孔材料.综合上述表征结果和相关文献可推测,该有序介孔材料为类MCM-41材料.另外,我们采用N_2物理吸附对材料的织构性质进行了考察,发现随着R值增大,产物的微孔减少,介孔增多.然而TEM结果表明,在类MCM-41产生之前,样品中介孔的增多并非来源于晶内孔,而是来源于晶粒之间的堆积孔,这是由于在合成过程中CTAB胶束嵌入ZSM-11的晶粒之间所导致.合成体系的碱度对产物的物化性质和织构性质也起了非常重要的作用.我们将这个体系与NaOH+CTAB对分子筛进行脱硅后处理体系进行了对比,发现虽然前者只能产生晶间孔而后者可产生晶内孔,但碱度对两者的作用相似,即降低碱度均可导致类MCM-41有序介孔相的产生.此外,还通过NH_3-TPD和Py-IR技术对材料的酸性进行了考察.基于上述研究结果,提出了多级孔ZSM-11分子筛的形成机理.随着R值的变化,CTAB分别起了覆盖效应、胶束效应和模板效应.这些效应在合成多级孔ZSM-11分子筛过程中相互协同,同时又与TBABr的结构导向效应相互竞争,进而影响合成产物的孔结构、形貌、酸性以及用于二甲醚和苯烷基化的催化性能.     

两段变温法水热合成多级孔ZSM-5分子筛及其催化裂化性能（英文）

以四丙基氢氧化铵(TPAOH)为单一模板剂,采用低温老化、高温晶化2段变温法合成出了球状多级孔ZSM-5分子筛。利用XRD、FT-IR、NH_3-TPD、SEM、TEM以及氮气吸-脱附等测试对合成样品进行了表征。结果表明:直径约为2μm左右的球状多级孔ZSM-5分子筛颗粒内的晶间介孔和大孔主要由棒状纳米晶堆积而成的,该产品具有较大的比表面积和介孔孔容。同常规水热法一步合成的微孔ZSM-5分子筛相比,2段变温法合成的多级孔ZSM-5分子筛具有更高的B酸/L酸比例(C_(BP)/C_(LP))、强酸/弱酸比例(C_s/C_w)以及活性位可接近性指数(ACI)。催化裂化评价结果显示,得益于活性位可接近性指数等指标的提高,球状多级孔ZSM-5分子筛比常规合成的微孔ZSM-5分子筛具有更高的转化率和丙烯收率等优异的催化性能。     

高硅分子筛ZSM-23催化裂解C4烷烃制乙烯丙烯的研究

采用廉价的硅溶胶作为硅源,吡咯烷为模板剂,静态水热晶化法合成出不同硅铝比的ZSM-23分子筛.采用XRD,SEM,吡啶吸附红外光谱等技术,对合成的ZSM-23分子筛的结构、形貌、表面酸性质进行了表征.并进行了所制样品对C4烷烃催化裂解制乙烯丙烯反应催化性能的研究.本文详细考察了硅铝比、反应温度、反应空速以及催化剂稳定性等各种因素对催化性能的影响.结果表明,ZSM-23分子筛的乙烯丙烯收率达到56.0%,丁烷转化率达到88.9%.     

多级孔HZSM-5分子筛的制备及其催化合成聚甲氧基二甲醚的性能

采用两步结晶法,用不同硅源铝源在无介孔模板剂的情况下,直接合成具有多级孔结构的ZSM-5分子筛;利用XRD、SEM、N₂吸附/脱附、Py-IR等技术对合成的多级孔ZSM-5分子筛结构、形貌、织构和酸性质进行表征,并考察其催化甲缩醛和三聚甲醛合成聚甲氧基二甲醚(PODE)的催化性能。结果表明：硅源铝源会影响分子筛结晶过程的晶体尺寸,粒径小的纳米粒更容易相互堆叠形成晶间孔隙;以正硅酸乙酯为硅源,分别以硝酸铝、偏铝酸钠和硫酸铝为铝源合成的3个多级孔ZSM-5分子筛具有较大的介孔体积和较高的B酸/L酸值,在催化合成PODE反应中表现出较好的催化性能;三者对三聚甲醛的转化率均达90%以上,对PODE_3~8选择性分别为62.22%、62.35%和62.12%。      

催化裂化反应对1-己烯叠合反应的影响规律

分别以1,3,5-三异丙苯和正辛烷为不同分子尺寸催化裂解原料,以1-己烯为叠合原料,评估了合成的多级孔ZSM-5分子筛催化剂上催化裂化反应和烯烃叠合反应的耦合机制.模型化合物催化裂解反应结果表明,在合成的多级孔ZSM-5分子筛上不同尺寸分子裂解性能受到抑制,1,3,5-TIPB裂解能力下降,正辛烷裂解初始转化率由70％...     

多级孔ZSM-5分子筛的制备及其在炼油领域中的应用

多级孔ZSM-5分子筛结合了微孔分子筛可调变的酸性、良好的水热稳定性以及介孔材料优异的传质扩散性能,在催化领域有着广阔的应用前景.我们综述了近年来多级孔ZSM-5分子筛的研究进展,重点概述了多级孔ZSM-5分子筛的不同制备方法,包括后处理法、硬模板法和软模板法等,同时介绍了多级孔ZSM-5分子筛在炼油领域的应用研究,并在上述基础上对多级孔ZSM-5分子筛的研究趋势进行了展望.     

高浓度体系制备ZSM-5分子筛及碱处理后甲醇制丙烯性能

在高浓度体系下,以粗孔硅胶和偏铝酸钠为原料,TPABr为模板剂,水热晶化法制备了ZSM-5分子筛,单釜产率23％.用不同浓度的氢氧化钠溶液对ZSM-5分子筛进行改性,采用XRD、FT-IR、SEM、NH3-TPD、XRF、N2物理吸附等方法对改性前后的样品进行了表征,并考察了改性后ZSM-5分子筛甲醇催化转化制丙烯(MTP)反应性能.结果表明,氢氧化钠改性未破坏分子筛的骨架结构,改性后样品的酸量、介孔孔容和BET比表面积均有增加,从而改善了催化剂的抗积碳性能和反应性能.在MTP反应中,增产丙烯的效果不明显,但表现出了更好的催化稳定性(催化剂使用寿命从85 h提升至110 h),并且有利于提高副产物汽油组分(∑C5+)的产量.     

ZSM-5分子筛的合成及其在丁烯催化裂解反应中的应用

采用水热合成法制备了无模板剂ZSM-5分子筛并用正硅酸甲酯(TMOS)对其进行外表面修饰改性,利用XRD、SEM、~(29)Si MAS NMR、~(27)Al MAS NMR、NH_3-TPD、BET和UV-vis DRS对合成分子筛的物相、形貌和酸性等进行了表征,并将其应用于催化丁烯裂解反应。研究表明,经水热合成的无模板剂ZSM-5结晶度较好,与添加模板剂合成的ZSM-5拥有相似的孔道结构和晶体结构以及相近的酸量,但在酸中心分布上有明显差异:孔道内酸中心数量增加且分布更加均匀,孔道交叉处酸中心数量减少;经过外表面修饰改性后,ZSM-5分子筛外表面部分不具备择形性的酸中心被钝化,使其择形选择能力增强。在催化丁烯裂解反应中,用TMOS进行外表面修饰改性的无模板剂ZSM-5分子筛作为催化剂能够有效抑制副反应的发生,丙烯和乙烯的总收率高达58%。     

ZSM-5分子筛的粒径可控合成及其在甲醇转化中的催化作用

以四丙基氢氧化胺为模板剂、聚乙二醇为添加剂,水热合成了粒径在0.1～14 μm且分布均一的ZSM-5分子筛,并采用XRD、SEM、BET、Py-IR、NH₃-TPD和ICP等技术对其进行了表征,考察了不同粒径分子筛在甲醇转化制碳氢化合物反应中的催化作用。结果表明,通过调变PEG添加量、硅源种类和水含量以及控制陈化和晶化条件,可以在较大范围内调变分子筛晶粒尺寸。随着粒径的减小,ZSM-5晶粒的聚集程度、比表面积和Si/Al比提高,而结晶度、BrØnsted酸浓度和总酸量有所下降。在甲醇催化转化制碳氢化合物的反应中,粒径为0.1 μm的分子筛催化稳定性最好;随着粒径的增大,其稳定性逐渐下降,粒径为14 μm的分子筛催化剂寿命明显降低。同时,粒径对甲醇转化产物分布也有较大影响;小粒径分子筛有利于生成轻质烃类(C₁～C₄),而大粒径分子筛对C₅以上烷烃和芳烃的选择性较高。     

硼和氟掺杂ZSM-5分子筛的制备及其甲醇制丙烯反应性能

采用两步水热晶化法,通过在合成体系中加入硼酸、氟化铵、氟硼酸铵,合成出了硼和氟改性的ZSM-5分子筛。利用X射线衍射、氮气吸附-脱附、29Si固体核磁共振波谱、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜以及NH₃程序升温脱附等测试手段对样品进行了表征。结果表明：硼和氟掺杂条件下可以合成具有较高结晶度的ZSM-5分子筛,杂原子掺杂提高了分子筛的硅铝比;硼和氟掺杂可以显著降低ZSM-5分子筛的Lewis酸量,但提高了Brønsted酸量;硼和氟共同作用可以降低ZSM-5分子筛的颗粒尺寸。甲醇制丙烯评价结果显示：较低的Lewis酸量和适宜的Brønsted酸性有利于提高丙烯选择性和催化剂寿命;NH₄BF₄改性的ZSM-5分子筛（Z5-BF2）表现出较高的丙烯选择性和较长的催化剂寿命。     

Ti-MCM-41催化环氧化合物与胺的开环反应

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂, 钛酸异丙酯为钛源, 通过水热法合成了Ti-MCM-41分子筛催化剂并对其进行了表征, 结果表明, Ti-MCM-41催化剂具有介孔结构, 其孔径约2.0~4.0 nm. 考察了无溶剂条件下Ti-MCM-41对环氧化合物与胺的开环反应的催化性能. 结果表明, 当反应温度和压力分别为145 ℃和2.5 MPa时, Ti-MCM-41(5)对环氧乙烷(EO)与二甲胺(DMA)的反应具有良好的催化性能, 环氧乙烷的转化率和N,N-二甲基乙醇胺的选择性分别为98.37%和86.68%. 表征结果表明, 催化剂骨架中四配位结构的Ti使其表面具有丰富的路易斯酸性位, 该酸性位对环氧化合物与胺的开环反应具有重要促进作用. 此外, 还对Ti-MCM-41催化环氧乙烷与二甲胺开环反应的机理进行了初步探讨.     

Mn/ZSM-5 participation in the degradation of cellulose under phosphoric acid media

The degradation reactions of cellulose under a combination of heterogeneous Fenton-like reagent with catalyst Mn/ZSM-5 and phosphoric acid media have been investigated. Phosphoric acid solution was selected as the reactive medium for the degradation of cellulose due to its good ability to destroy inter- and intra-molecular hydrogen bond so as to promote cellulose activation. The Fenton-like system, composing of H₂O₂ and Mn/ZSM-5 in combination with phosphoric acid, can effectively depolymerize cellulose to soluble sugars and partly degraded cellulose with much lower degree of polymerization. Small molecular products, 5-hydroxymethyl furfural and levulinic acid were extracted from the reaction solution. The performance of the catalyst Mn/ZSM-5 and the effect of reaction factors on the molar yield of 5-hydroxymethyl furfural were investigated. A three-step degradation scheme reflecting the main pathways of cellulose degradation in the reaction is proposed.     

Fe-Cu/ZSM-5催化剂的NH_3-SCR脱硝性能

通过浸渍法制备了Fe和Cu含量比不同的系列Fe-Cu/ZSM-5催化剂,利用XRD、H2-TPR、NH3-TPD和原位DRIFTS等技术对催化剂进行了表征,并对其NH3-SCR脱硝性能进行了研究。结果表明,双金属改性的Fe-Cu/ZSM-5催化剂活性温度窗口拓宽,其中,Fe-Cu/ZSM-5 1∶4催化剂脱硝性能优异,250-450℃下脱硝效率均超过90%,335℃时脱硝效率达到最大值96.46%。铜和铁物种能以无定型氧化物良好分散于载体表面,双金属负载改性催化剂保留了ZSM-5的晶体结构。Fe-Cu/ZSM-5 1∶4催化剂具备丰富的酸性位、良好的氧化还原性能,一定温度条件下NH3-SCR反应过程中同时存在E-R机理和L-H机理,且E-R机理反应起始温度低于L-H机理;200℃为催化脱硝反应的起活温度。     

芬顿试剂改性ZSM-5分子筛上丙烯齐聚反应研究

采用浸渍法分别制备了芬顿试剂及其原料FeSO₄和H₂O₂改性的ZSM-5分子筛，并与未改性的母体ZSM-5分子筛进行了对比实验。通过一系列表征手段及丙烯齐聚反应考察了各催化剂的理化性质和催化性能。结果表明，芬顿试剂、FeSO₄、H₂O₂的改性处理均会引起ZSM-5分子筛脱铝，从而导致其硅铝比升高。但与FeSO₄改性相比，芬顿试剂由于其产生的大量羟基自由基更容易将Fe引入分子筛，形成新的活性中心，同时芬顿试剂改性还能使分子筛的比表面积和介孔的体积增大，调节催化剂的酸性。与母体ZSM-5相比，Fenton-ZSM-5催化剂具有优异的催化活性和稳定性。初始丙烯转化率和柴油选择性分别高达98.3%和92.4%，24 h内转化率和选择性维持在80%和82%以上。     

铁改性的Mo/ZSM-5催化剂上NO的选择性催化还原反应

采用浸渍法制备了Mo/ZSM-5, Fe/ZSM-5和不同Fe和Mo摩尔比的Fe-Mo/ZSM-5样品, 并以氨为还原剂对其NO选择性催化还原活性以及反应条件对催化性能的影响进行了研究. 结果表明, Fe-Mo/ZSM-5样品的NOx转化率明显比单独的Mo/ZSM-5和Fe/ZSM-5的高. 当n(Fe):n(Mo)为1.5时, Fe-Mo/ZSM-5样品具有最佳催化性能, 其NOx转化率在430 ℃时达到了96%, 并且能在高空速和不同O2气浓度的条件下保持高的催化活性. 同时采用XRD和XPS技术分别对催化剂的体相结构和表面性质进行了研究, 结果表明, 当n(Fe):n(Mo)=1.5时, Fe和Mo元素之间以及与载体HZSM-5之间存在较强的相互作用, 并且其表面的Mo3d的含量最高. 这可能与其高的催化活性有关. 另外还发现, 在反应过程中Fe-Mo/ZSM-5催化剂表面的氮氧物种主要是吸附态NO, 因此可以推测NO的催化还原反应机理是, 在催化剂表面上, 吸附态NO与吸附NH3物种直接反应生成氮气, 而非经过氧化为NO2的途径.     

模板剂种类对ZSM-22分子筛的酸性和正癸烷加氢异构化催化反应性能的影响

分别以1,6-己二胺和1-乙基溴化吡啶为模板剂,采用静态晶化法合成了不同硅铝比的ZSM-22分子筛;采用XRD、XRF、N₂物理吸附、SEM、NH₃-TPD和Py-IR等手段对分子筛的结构和酸性进行了表征;采用浸渍法制备了0.5%Pd/ZSM-22双功能催化剂,对金属Pd的分散度用H₂化学吸附进行表征,并在微型固定床反应器上考察了该催化剂对正癸烷加氢异构化反应的催化性能。结果表明,模板剂种类显著影响ZSM-22分子筛的结构和酸性,以DAH为模板剂合成的ZSM-22分子筛晶粒粒径小,异构化产物从分子筛孔道内扩散的程距更短,而且具有更高的B/L值和相对温和的酸性,在正癸烷加氢异构化反应中,金属位与分子筛的酸性位实现协同催化作用,具有更高的催化活性和异构化选择性。     

A Highly Efficient,Clean‐Surface,Porous Platinum Electrocatalyst and the Inhibition Effect of Surfactants on Catalytic Activity

Herein we report a gentle seedless and surfactant‐free method for the preparation of clean‐surface porous platinum nanoparticles. In terms of electrocatalytic CH₃OH oxidation, the clean‐surface porous platinum exhibited better performance than platinum nanoparticles and a commercial Pt/C catalyst. The porous nanostructures exhibited 2.26‐fold higher mass activity and 2.8‐fold greater specific activity than the Pt/C catalyst. More importantly, three typical surfactants, cetyltrimethylammonium bromide/chloride (CTAB/C), poly(vinylpyrrolidone), and sodium dodecyl sulfate, were chosen to study the inhibition effect of surfactants on electrocatalytic performance. It was observed that the surfactants led to a clear selective decrease in electrocatalytic performance. CTAB/C inhibited the catalytic activity the most due to the stronger interaction between the OH‐enriched platinum surface and the positively charged molecules. Thus, this work indicates that these clean‐surface porous platinum nanoparticles may be used as efficient catalysts for direct methanol fuel cells and provides a greater understanding of the inhibition effects of surfactants on catalytic activity.     

含骨架铁ZSM-5的合成及其负载Pt催化剂在正十二烷脱氢反应中的催化性能

采用水热合成法使铁进入分子筛MFI骨架结构,成功合成出含骨架铁的分子筛Na-[Fe]-ZSM-5,并通过离子交换法负载Pt制备脱氢催化剂Pt/Na-[Fe]-ZSM-5。通过正十二烷脱氢反应,研究了该催化剂对长链烷烃脱氢制单烯烃反应的催化性能。采用N2吸附-脱附测试、X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、吡啶吸附的红外光谱(Py-IR)、CO化学吸附、透射电子显微镜(TEM)等不同方法对催化剂进行了表征。结果表明,通过控制骨架铁含量可调控催化剂表面酸性;含骨架铁的ZSM-5分子筛载体具有抑制负载金属晶粒长大,保持金属高分散度的作用;其负载铂催化剂Pt/Na-[Fe]ZSM-5-50具有表面弱酸中心(0.69 mmol·g^-1)和高分散Pt中心,因而具有良好的长链烷烃脱氢活性、稳定性和单烯烃选择;在转化率稳定在~20%时,TOF为4.56 s^-1,单烯烃选择性为92.7%;在实验范围内,Pt/Na-[Fe]ZSM-5催化剂表面弱酸量和脱氢反应的本征活性(TOF)均随催化剂铁含量的增加而增加。