ZSM-5分子筛骨架铝落位对甲醇转化制芳烃催化性能影响

采用水热合成法,在合成过程中通过添加矿化剂、尿素和改变硅源,制备了不同骨架铝落位的ZSM-5分子筛。通过SEM、XRD、BET、XRF、MAS NMR、NH_3-TPD和Py-FTIR等表征手段对分子筛的形貌、织构、骨架铝落位和酸性进行了系统研究,同时考察了不同ZSM-5分子筛催化剂甲醇制芳烃的催化性能。研究结果表明,制备的ZSM-5分子筛均具有结晶度高和形貌均一等特点,但在骨架铝落位和酸性方面存在显著差异。椭球状ZSM-5分子筛的骨架铝主要分布于直通孔道或正弦孔道中,并表现出较多的酸性位。块状分子筛中骨架铝主要落位在孔道交叉处,且具有较低的强酸量。在甲醇制芳烃反应中,骨架铝主要位于直通或正弦孔道并表现出较多酸性位的椭球状ZSM-5分子筛催化剂具有较高的活性稳定性和芳烃选择性。     

碱处理脱硅与提高Y型分子筛硅铝比——矛盾的对立与统一

考察了 "水热处理"以及"碱处理+水热处理"两种方法所制得的超稳 Y 分子筛的骨架硅铝比、孔结构特征以及酸量, 并探讨了"碱处理+水热处理"方法对起始 NaY 分子筛的适应性. 结果表明, 在水热处理前, 对 NaY 分子筛进行碱处理脱硅可在不改变最终样品的骨架超稳化水平和酸量的同时, 样品的介孔体积显著增加. 直接水热处理 NaY 分子筛所得样品介孔体积不超过 0.14 cm3/g, 而先碱处理后水热处理, 所得样品介孔体积可达 0.22 cm3/g. 该法适用于制备骨架硅铝比高的 NaY 分子筛. 起始原料的骨架硅铝比较低时, 所得样品的介孔体积增幅小, 而且微孔受损严重.     

ZSM-5的水热改性及其在合成气经二甲醚制汽油中的应用

对合成气经二甲醚制汽油两段等压反应系统中的ZSM-5分子筛催化剂进行原位水热处理,研究了不同温度下水蒸气处理ZSM-5分子筛的结构、表面酸性及催化反应性能。XRD、XRF、BET、NH₃-TPD 和 TPO等表征手段表明,水热处理温度为400℃时会使ZSM-5分子筛大部分非骨架铝脱除,酸中心数量减少,比表面积增加,提高了催化剂的活性及产物选择性。     

酸碱处理对ZSM-5分子筛物化性质和反应性能的影响

考察了碱处理、先碱后两步酸处理对HZSM-5分子筛物化性质以及苯与甲醇烷基化反应性能的影响。结果表明,碱处理在脱除分子筛中非骨架硅的同时,提高了晶孔的利用率,也中和了分子筛的强酸中心,使催化剂活化甲醇的能力减弱,苯与甲醇反应活性降低;先碱后两步酸处理既脱除了分子筛中的非骨架铝,也恢复了一部分强酸中心,提高了苯与甲醇的反应活性。进一步考察了先碱后两步酸处理中不同碱浓度的影响,结果表明,适宜浓度的碱处理后再两步酸处理,一方面,能脱除分子筛的非骨架硅铝物种,使分子筛的颗粒粒径更加均匀;另一方面,分子筛的强酸中心有所减少,降低了催化剂的积炭失活速率,苯转化率提高15%以上。     

ZSM-5/MCM-41复合分子筛的合成与表征

以碱处理的ZSM-5浆液为硅铝源,通过水热自组装过程合成了介孔-微孔复合孔道结构的分子筛,并采用XRD、BET、HRTEM、Py-IR和水热处理等手段对合成分子筛进行了表征。结果表明,碱处理ZSM-5时的苛刻程度是影响复合分子筛合成的重要因素,适宜的碱处理条件为NaOH浓度1 mol/L、80℃时处理1 h。表征结果表明,复合分子筛具有规整互通的微孔-介孔梯级复合孔道结构,孔容、比表面积和平均孔径分别为0.63 mL/g,684 m²/g和3.76 nm,属典型的MCM-41结构;与MCM-41相比,复合分子筛的B酸(尤其是强B酸)酸量明显增强,水热稳定性显著提高。     

一步处理法制备高水热稳定多级孔ZSM-5分子筛

ZSM-5具有较高的催化活性和独特的择形选择性,因而被广泛用于精细化工和石油炼制等工业过程.但其较小的孔道尺寸导致其在反应中尤其在催化过程中的传质受到影响,从而严重影响催化剂寿命.为了解决反应过程中分子筛中底物及产物的扩散限制问题,近年来关于介微孔复合多级孔道分子筛的研究在分子筛合成领域引起了广泛兴趣,并取得一定进展.但直接合成法存在成本及复杂性问题,因此在量产的分子筛上进行后改性引入介孔表现出明显优势.在这一大类处理过程中,碱处理造介孔因成本低以及可操作性较高而备受青睐.但由于脱硅所形成的介孔往往无序,稳定性较差,因此提高其水热稳定性具有重要意义.文献已有较多报道通过磷元素修饰抑制分子筛在水热环境中脱铝,从而提高分子筛骨架稳定性.但传统的磷元素修饰一般采用后续浸渍法,过程繁琐.本课题组开发了一步法后处理制备高水热稳定多级孔ZSM-5分子筛,将脱硅过程与磷引入过程相结合,以四乙基氢氧化磷(TEPOH)为磷源,直接处理微孔分子筛得到含磷的多级孔分子筛.相比于传统的分子筛磷修饰过程,该磷物种在处理中优先交换分子筛骨架上铝原子附近用来平衡电荷的钠离子,从而增加了磷物种与铝物种相互作用的可能性,提高了稳化骨架的效果.基于此,本文利用氮吸附-脱附、元素分析、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)以及27Al和31P固体核磁(NMR)等一系列表征技术,证明该一步后处理法对分子筛催化性能的作用.SEM和XRD结果表明,分子筛在进行各种处理前后,相对结晶度和分子筛形貌变化不大,说明大部分微孔得到保留.TEM测试表明,经过该一步后处理法得到的分子筛实现了介孔的引入,介孔孔径在10–20 nm.元素分析结果表明,几乎所有的磷源物质在该过程中被引入到分子筛上,实现了介孔和磷物种的同时引入.NH3-TPD测试表明,含磷分子筛在老化前后较无磷分子筛具有更高的酸性位密度保留度,说明磷元素对分子筛上的酸性位起到了稳化作用.孔结构特性数据不仅说明了脱硅过程中成功引入介孔,而且含磷分子筛老化前后的介孔特性数据保留度明显高于无磷样品,实现了磷元素对介孔结构的稳化作用.27Al和31P NMR结果从理论上证明了该样品上磷元素对抑制骨架脱铝的稳化效应,证实了分子筛在处理后水热稳定性的提高.基于前期的研究工作,本文完善了磷元素对分子筛稳化作用的机理过程.TEPBr在水热活化过程中转变成磷酸盐,并修饰分子筛的骨架铝以及部分难以避免的非骨架铝.该过程中形成的磷铝物种在后续的水热老化过程中进一步修饰分子筛骨架铝,使骨架铝得到稳化.而在脱硅过程中存在的"反插铝"过程往往使大部分骨架铝位于介孔孔道中,磷元素与铝元素的相互作用同时也对介孔进行了稳化.通过正辛烯和1,3,5-三异丙苯的裂化测试发现,处理后的分子筛由于其优化后的孔道性能和酸性性质,大大提高了底物分子的转化率以及其自身的容碳能力,从而延长了催化寿命.     

一步处理法制备高水热稳定多级孔ZSM-5分子筛（英文）

ZSM-5具有较高的催化活性和独特的择形选择性,因而被广泛用于精细化工和石油炼制等工业过程.但其较小的孔道尺寸导致其在反应中尤其在催化过程中的传质受到影响,从而严重影响催化剂寿命.为了解决反应过程中分子筛中底物及产物的扩散限制问题,近年来关于介微孔复合多级孔道分子筛的研究在分子筛合成领域引起了广泛兴趣,并取得一定进展.但直接合成法存在成本及复杂性问题,因此在量产的分子筛上进行后改性引入介孔表现出明显优势.在这一大类处理过程中,碱处理造介孔因成本低以及可操作性较高而备受青睐.但由于脱硅所形成的介孔往往无序,稳定性较差,因此提高其水热稳定性具有重要意义.文献已有较多报道通过磷元素修饰抑制分子筛在水热环境中脱铝,从而提高分子筛骨架稳定性.但传统的磷元素修饰一般采用后续浸渍法,过程繁琐.本课题组开发了一步法后处理制备高水热稳定多级孔ZSM-5分子筛,将脱硅过程与磷引入过程相结合,以四乙基氢氧化磷(TEPOH)为磷源,直接处理微孔分子筛得到含磷的多级孔分子筛.相比于传统的分子筛磷修饰过程,该磷物种在处理中优先交换分子筛骨架上铝原子附近用来平衡电荷的钠离子,从而增加了磷物种与铝物种相互作用的可能性,提高了稳化骨架的效果.基于此,本文利用氮吸附-脱附、元素分析、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氨程序升温脱附(NH_3-TPD)以及~(27)Al和~(31)P固体核磁(NMR)等一系列表征技术,证明该一步后处理法对分子筛催化性能的作用.SEM和XRD结果表明,分子筛在进行各种处理前后,相对结晶度和分子筛形貌变化不大,说明大部分微孔得到保留.TEM测试表明,经过该一步后处理法得到的分子筛实现了介孔的引入,介孔孔径在10–20 nm.元素分析结果表明,几乎所有的磷源物质在该过程中被引入到分子筛上,实现了介孔和磷物种的同时引入.NH_3-TPD测试表明,含磷分子筛在老化前后较无磷分子筛具有更高的酸性位密度保留度,说明磷元素对分子筛上的酸性位起到了稳化作用.孔结构特性数据不仅说明了脱硅过程中成功引入介孔,而且含磷分子筛老化前后的介孔特性数据保留度明显高于无磷样品,实现了磷元素对介孔结构的稳化作用.27Al和31P NMR结果从理论上证明了该样品上磷元素对抑制骨架脱铝的稳化效应,证实了分子筛在处理后水热稳定性的提高.基于前期的研究工作,本文完善了磷元素对分子筛稳化作用的机理过程.TEPBr在水热活化过程中转变成磷酸盐,并修饰分子筛的骨架铝以及部分难以避免的非骨架铝.该过程中形成的磷铝物种在后续的水热老化过程中进一步修饰分子筛骨架铝,使骨架铝得到稳化.而在脱硅过程中存在的"反插铝"过程往往使大部分骨架铝位于介孔孔道中,磷元素与铝元素的相互作用同时也对介孔进行了稳化.通过正辛烯和1,3,5-三异丙苯的裂化测试发现,处理后的分子筛由于其优化后的孔道性能和酸性性质,大大提高了底物分子的转化率以及其自身的容碳能力,从而延长了催化寿命.     

ZSM-5沸石骨架铝迁移规律的研究 Ⅲ.ZSM-5沸石骨架铝迁移的可逆性

考察了水热条件下HZSM-5沸石骨架铝的迁出,气-固或液-固反应条件下外界铝进入骨架的影响因素及表面性质的变化。发现在相同的条件下,随ZSM-5沸石硅铝比的增加,铝迁入骨架的比率增大;经水热处理后较相同数量级硅铝比的未经处理的沸石的铝迁入骨架速率快,结合骨架铝迁移的机理对此现象进行了讨论。在400℃气-固反应时,进入沸石骨架的铝量达400—600℃总量的75—80％,和在400℃水热处理时骨架铝的迁脱量相当(80％),这部分铝主要对应于强酸中心位,说明沸石骨架中对应于酸中心较强而稳定性较弱的铝易迁出也易迁入,表明酸性中心是可逆的。     

甘油脱水合成丙烯醛ZSM-5催化剂的孔结构和酸性调控

研究了ZSM-5 孔结构和表面酸性对甘油脱水合成丙烯醛反应性能的影响. 在碱浓度为0.2 mol·L^-1的NaOH溶液中, 分别在65和85 ℃条件下对ZSM-5进行化学刻蚀, 成功地制备了含微介孔的ZSM-5催化剂, 提高了催化剂的表面强酸密度. 碱处理后的ZSM-5催化剂在甘油脱水反应中的稳定性得到显著提高, 在ZSM-5-at85 (经85 ℃碱处理的ZSM-5)催化剂上甘油转化率在反应10 h 后仍可保持95%以上, 丙烯醛选择性达到78%. 采用N₂吸附-脱附等温线、X射线粉末衍射(XRD)、²⁷Al 固体核磁共振(²⁷Al MAS-NMR)和透射电子显微镜(TEM)等手段对ZSM-5 结构和表面性质进行了表征, 实验结果表明在碱处理过程中骨架中的硅发生了溶脱现象, 在分子筛表面上形成了大量介孔, 但是ZSM-5 的MFI 拓扑结构没有发生变化, 骨架中的大部分铝得到保持. X射线光电子能谱(XPS)、X射线荧光光谱(XRF)和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)证实了在碱处理后ZSM-5分子筛外表面的Si/Al 摩尔比低于其骨架中的比例, 由此表明脱硅现象主要发生在ZSM-5 的外表面, 在新产生的介孔区域由于Si/Al 摩尔比的降低使得强酸密度得到提高. 具有微介孔结构和较高酸密度的ZSM-5催化剂增强了反应物扩散性能和容碳能力, 这对于提高甘油脱水合成丙烯醛催化剂的活性和稳定性起到了关键作用.     

ZSM-5沸石骨架铝迁移规律的研究 Ⅰ.水热处理条件及沸石硅铝比的影响

利用XRD,~(27)Al MASNMR,IR和 NH_3-TPD等技术考察了水热处理温度、水热气氛及沸石硅铝比,在水热条件下对ZSM-5沸石骨架铝的迁移和表面酸性的影响,发现随着水热处理温度的升高,沸石表面酸性的变化和骨架铝的迁脱量有很好的对应关系,400℃时骨架铝迁脱量为600℃迁脱量的80％;表面强酸中心的递减速率较弱酸中心快。提高沸石硅铝比和在碱性水热气氛中处理可以减缓骨架铝的迁脱,保留了较多的酸性中心,在酸性气氛中则骨架铝的迁脱加速。     

无粘结剂ZSM-5沸石催化剂骨架脱铝改性的研究

对比了无粘结剂和有粘结剂ZSM-5沸石催化剂的吸附性质, 证实前者的优良品质. 以27Al固体核磁共振(MAS NMR)考察了盐酸处理、水蒸气处理及水蒸气-盐酸相结合处理后无粘结剂ZSM-5沸石催化剂的骨架脱铝行为以及非骨架铝的状态. 以X射线粉末衍射(XRD), X射线荧光光谱(XRF), 低温氮吸附, NH3-TPD和吡啶吸附原位红外光谱(in situ IR)等详细表征了骨架脱铝对其晶体、元素组成及孔结构、表面强(S)酸与弱(L)酸、Brönsted(B)酸与Lewis(L)酸酸量分布等影响. 揭示了水蒸气处理的深度骨架脱铝强烈地调变沸石的结构和表面酸性的本质, 证明了该处理方式对调变S酸和B酸起主导作用.     

Effect of Alkali Treatment on the Structure and Catalytic Properties of ZSM-5 Zeolite

Catalytic properties of ZSM-5 zeolite samples pretreated with NaOH solution have been investigated. The samples are characterized by XRD, SEM, chemical analysis, and N2 adsorption.The results indicate that mesopores are created in ZSM-5 crystals under alkali treatment without change the microporous structure and acidic strength of the zeolite, but the crystallinity is greatly decreased under severe treatment. IR indicates that the concentration of silanol is greatly enriched by alkali treatment. The etherification activities of ZSM-5 zeolites are greatly increased byalkali-treatment. The noticeably improved catalytic activity of treated samples is ascribed to the formation of mesopores and greatly enriched silanol group.     

ZSM-5/ZSM-57复合分子筛催化剂上混合C4烃的催化转化反应

以ZSM-5/ZSM-57复合分子筛为催化剂, 考察了其对混合C4烃催化转化的反应性能. 采用氨程序升温脱附(NH3-TPD)和吡啶吸附傅立叶变换红外(FT-IR)光谱技术表征复合分子筛的酸性质. 结果表明, 当复合分子筛中ZSM-5的含量较低时, 比ZSM-5具有更高的催化活性及乙烯和丙烯选择性, 这是因为此时复合分子筛酸强度较高、酸量较多, 且小孔ZSM-57有利于乙烯和丙烯的择形反应. 而当复合分子筛中ZSM-5的含量较高时, 具有较高的苯和甲苯选择性, 其原因可能是其孔结构及共晶生长时的结构匹配性对芳构化反应有利.     

ZSM-5／MOR复合分子筛催化剂对混合C4烃转化反应的催化性能

以ZSM-5/丝光沸石(MOR)复合分子筛为催化剂,对混合C4烃的催化转化反应进行了评价,并采用程序升温脱附和原位红外光谱技术对ZSM-5/MOR的酸性进行了表征. 结果表明,与ZSM-5相比, MOR具有很低的催化活性,但ZSM-5/MOR复合分子筛具有较高的催化活性,随着ZSM-5/MOR复合分子筛中ZSM-5含量的增加, C4烃转化率稍有升高;在C4烃转化率大致相同的情况下,乙烯和丙烯的总选择性比较接近,但苯和甲苯的总收率却快速升高. 随着ZSM-5/MOR复合分子筛中ZSM-5含量的增加,弱酸和中强酸的酸量逐渐减少,强酸的酸量有所增加. 由于ZSM-5/MOR复合分子筛中MOR对ZSM-5起到分散作用而产生更多的L酸中心,且此L酸中心处于分子筛的外表面而具有较高的能量,导致苯和甲苯的总收率升高.     

ZSM-5分子筛上烷基化过程中“反向效应”的产生及其克制方法

在综述甲苯择形烷基化机理并分析产生“反效应”的原因的基础上,提出了克制的“反向效应”的设想。Ｓｂ２Ｏ３,ＴｉＣｌ４,ＳｉＣｌ４,Ｈ３ＰＯ４,Ｍｇ（Ａｃ）２等化合物对分子筛进行改性,测定改性前后分子筛的表面酸性与孔结构,关联乙基化反应结果,证实中强酸中心在乙基化反应中的重要作用,认为保持孔道的畅通是解决“反应效应”的关键。并采用了Ｋ－Ｍｇ改性,制备出对甲苯乙基化具有高初活性和高对位选择性的催化剂。     

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.     

Na_2CO_3溶液处理对Ni-Mo/HZSM-5分子筛硫醚化催化性能的影响

采用Na2CO3溶液对ZSM-5分子筛进行碱处理,考察了处理温度和处理时间对ZSM-5分子筛结构特征和物化性能的影响。利用XRD、N2吸附-脱附、XRF、SEM及NH3-TPD表征对处理前后样品进行分析。以正丁硫醇和异戊二烯组成的模型化合物为原料,对碱处理后含微-介孔HZSM-5分子筛制得的Ni-Mo/HZSM-5催化剂进行硫醚化活性评价。结果表明,Na2CO3溶液处理没有破坏原分子筛晶体形貌,保持微孔结构的同时,适当的提高处理温度和延长处理时间有利于ZSM-5分子筛比表面积、外比表面积、介孔孔容和平均孔径的增大,并调节了酸性质。但过长的处理时间并不利于介孔的生成和酸性的调变。经90℃的Na2CO3溶液处理5 h得到催化剂表现较高硫醚化活性,正丁硫醇和异戊二烯转化率分别可达92.36%和97.33%。由此,Na2CO3溶液处理可提高催化剂硫醚化活性,且改性过程温和可控。