SAPO-34分子筛合成中的主客体电荷平衡与硅分布(英文)

SAPO-34分子筛的硅磷酸铝组成与菱沸石笼结构孔道促进了甲醇高效转化为乙烯、丙烯(MTO)的反应,以其为催化剂的工业过程不断取得进步.然而,MTO反应过程中SAPO-34分子筛的迅速失活成为困扰该过程的重要问题.研究发现,反应中形成的多环芳烃阻塞了SAPO-34分子筛晶粒表面的笼结构孔道,甲醇分子难以向晶体内部扩散,致使分子筛在其活性中心未曾充分利用之前便己失活.为此,纳米晶粒SAPO-34的合成引起了人们的广泛兴趣,通过提高分子筛晶体的利用率有限地延长了催化剂的MTO反应寿命.但反应后催化剂的结焦量明显增加,说明引起SAPO-34结焦的因素不因晶粒的减小而受到抑制.我们曾研究了无硅A1P04-34分子筛的MTO反应,发现初始活性良好的催化剂在未结焦的情况下却因为活性中心的缺失而失活.显然,SAPO-34的MTO反应活性及其结焦均与其酸性密切相关,而酸性取决于其结构中的硅含量与硅分布.我们通过单晶结构解析获得了二乙胺(DEA)与哌嗪(PIPZ)导向合成SAPO-34的晶体结构,并从文献获得了四乙基氢氧化铵(TEAOH)、三乙胺(TEA)、吗啉(MOR)为模板剂合成SAPO-34的晶体结构.按照SAPO-34结构中菱沸石笼内形成的模板剂阳离子的电荷数(R)对不同模板剂导向合成的SAPO-34加以分类:TEAOH,TEA(R~+);DEA,MOR(2R~+);PIPZ(2R~(2+)).它们不因SAPO-34合成条件的变化而改变.依据分子筛骨架负电荷与SAPO-34菱沸石笼内模板剂阳离子正电荷平衡的原则(主客体电荷平衡),模板剂的类型决定SAPO-34骨架负电荷数,即引入硅形成的酸中心密度;酸中心的强度则取决于合成体系中硅的加入量.由此可以给出不同类型模板剂导向合成SAPO-34骨架中的最低硅含量(形成隔离硅原子).R~+型模板剂SiO_2/Al_2O_3为0.11;2R~+型模板剂为0.22;2R~(2+)型模板剂为0.44.合成体系中硅加入量的增加,会在SAPO-34骨架中形成"硅岛"结构.然而,我们的研究表明,"硅岛"的形成同样受到主客体电荷平衡原则的制约.通过结构分析发现,一个独立的"五硅岛"至少为6个相邻的菱沸石笼所分享,而每个"五硅岛"仅能形成3个负电荷.以R~+型模板剂导向合成的SAPO-34为例,需要6个骨架负电荷来平衡6个菱沸石笼中的R~+电荷,因此,除了"五硅岛"的3个负电荷,还要在这些笼骨架上形成3个"孤立"硅原子.该类模板剂导向合成SAPO-34,形成"五硅岛"的最低SiO_2/Al_2O_3摩尔比(硅含量)为0.45.进一步分析可知,在相邻的7个菱沸石笼之间可以分别形成"八硅岛"、"十一硅岛",而"十四硅岛"只能形成于相邻的10个菱沸石笼之间.同理,每种"硅岛"的形成都要伴随相应数目的"孤立"硅原子共同来平衡菱沸石笼内的R~+电荷.对于以2R~+型模板剂导向合成的SAPO-34,仍然是6个相邻的菱沸石笼分享"五硅岛",但是,每个菱沸石笼内的正电荷阳离子数增加了一倍,为满足主客体电荷平衡,需要形成更多"孤立"硅原子.由此可见,随着菱沸石笼内模板剂电荷数的增加,骨架的负电荷密度增大,给SAPO-34带来了更多酸中心,无论硅以"孤立"硅原子形式分布,还是形成"硅岛".同时,"硅岛"伴随"孤立"硅原子的共同存在也使我们理解了~(29)Si MAS NMR中的一个独特现象:在硅含量很高时形成了"硅岛",可是却存在着很强的属于"孤立"硅原子的谱峰.     

不同尺寸纳米氧化锌的制备及其抗菌性能研究

溶液化学方法在制备ZnO纳米材料时最为常用,通常情况下,可以采用水或其它有机溶剂作为反应介质,制备不同尺寸和形貌的ZnO纳米粒子。本文以油酸钠为表面活性剂,乙酸锌为前驱体,使用不同醇溶剂(乙醇、正丁醇、正己醇),通过控制反应温度,在较为温和的反应条件下,成功制备了不同尺寸的球形纳米ZnO粒子。使用透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X-射线衍射(XRD)和紫外-可见吸收光谱(UV-vis)等方法对所得到的ZnO纳米粒子进行了表征,在此基础上,选取其中五种不同尺寸的ZnO纳米粒子,使用平板浇注法,探究不同尺寸ZnO纳米粒子对大肠杆菌和金黄葡萄杆球菌的抗菌效果。结果表示:随着醇溶剂碳链长度和温度的增加,ZnO纳米粒子的尺寸会逐渐增加;随着ZnO纳米粒子的尺寸的减小,其抗菌效果逐渐增强。相比于金黄葡萄杆球菌,ZnO纳米粒子对大肠杆菌的抗菌效果较差。当ZnO纳米粒子的浓度为6×10^-3mol·L^-1时,对金黄葡萄杆球菌和大肠杆菌的抑菌率分别达到了96.6%和91.4%。     

纳米级SAPO-34分子筛的制备及其在甲醇制烯烃反应中的应用进展

SAPO-34分子筛被广泛应用于甲醇制烯烃(MTO)反应中,目前已实现工业化应用。传统的SAPO-34分子筛在催化过程中容易发生积碳、焦化,导致分子筛失活,单程使用寿命短等问题。纳米级SAPO-34分子筛具有较小晶体尺寸,较高比表面积,减少扩散限制、增强催化剂活性中心和抗积炭能力。在MTO中催化性能相较于传统分子筛更佳。本文从晶种辅助、增加添加剂、双模板剂和优化结晶条件等角度,介绍纳米级SAPO-34的制备方法,进一步研究分析了各不同条件对纳米晶体尺寸的影响,同时对不同纳米尺寸的纳米级SAPO-34在MTO中催化性能进行了探讨。提出了目前研究的问题及未来发展的方向。     

纳米级SAPO-34分子筛的制备及其在甲醇制烯烃反应中的应用进展

SAPO-34分子筛被广泛应用于甲醇制烯烃(MTO)反应中,目前已实现工业化应用。传统的SAPO-34分子筛在催化过程中容易发生积炭、焦化,导致分子筛失活、单程使用寿命短等问题。纳米级SAPO-34分子筛具有较小晶体尺寸,较高比表面积,减少扩散限制、增强催化剂活性中心和抗积炭能力,在MTO中催化性能相较于传统分子筛更佳。本文从晶种辅助、增加添加剂、双模板剂和优化结晶条件等角度介绍纳米级SAPO-34的制备方法,进一步分析了各不同条件对纳米晶体尺寸的影响,对不同尺寸的纳米级SAPO-34在MTO中的催化性能进行了探讨,提出了目前研究的问题及未来发展的方向。     

银纳米粒子-介孔菱沸石-无纺布复合材料的构建及其止血和抗菌性能分析

以无纺布(NW)为基质,采用原位生长法制备了介孔菱沸石-无纺布(mCHA-NW),再以其为载体,复合银纳米粒子(AgNPs),最终得到银纳米粒子-介孔菱沸石-无纺布(AgNPs-mCHA-NW)复合材料.利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、全自动物理吸附仪(BE...     

纳米ZnO的制备及其光学性质的研究

采用均匀沉淀法，以尿素与硝酸锌反应制备纳米ZnO，通过TG-DTA、XRD、IR及TEM等手段对纳米粒子及中间体进行了表征，结果表明制得的纳米粒子粒度均匀，粒径分布窄。对纳米ZnO的发光特性研究表明，随焙烧温度升高，粒度的增大，可见绿色发射增强。同时对纳米ZnO与普通ZnO的发光性质进行了比较研究，指出纳米ZnO的绿色发光带有蓝移现象，这是由于纳米ZnO的量子尺寸效应引起的。BET测试表明，纳米ZnO的比表面为171．2m^2／g，有利于作催化剂。     

ZnO纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能

采用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了不同粒径的ZnO纳米粒子，而用粒径 最小的作为光催化剂，通过光还原过程分别得了贵金属质量分数为0.5%和0.75%的 Pd/ZnO或Ag/ZnO复合纳米粒子。利用XRD，TEM，XPS，SPS和EFISPS等测试技术对样 品进行了表征，并通过光催化氧化气相正庚烷评估了样品的光催化活性，考察了微 晶尺寸和贵金属Pd或Ag的沉积对ZnO纳米粒子表面光电压信号以及光催化活性的影 响，探讨了样品表面光电压谱与其光催化活性的关系，说明了可以通过表面光电压 谱的测试来初步地评估纳米粒子的光催化活性。结果表明：随着ZnO纳米微晶尺寸 的减小，其SPS信号强度逐渐变弱，而光催化活性逐渐升高；沉积适量的贵金属Pd 或Ag后，ZnO纳米粒子的SPS信号强度明显下降，而其光催化活性却有所升高。此外 ，对ZnO纳米粒子光催化剂的失活机理进行了分析。     

ZnO纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能

采用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了不同粒径的ZnO纳米粒子，而用粒径 最小的作为光催化剂，通过光还原过程分别得了贵金属质量分数为0.5%和0.75%的 Pd/ZnO或Ag/ZnO复合纳米粒子。利用XRD，TEM，XPS，SPS和EFISPS等测试技术对样 品进行了表征，并通过光催化氧化气相正庚烷评估了样品的光催化活性，考察了微 晶尺寸和贵金属Pd或Ag的沉积对ZnO纳米粒子表面光电压信号以及光催化活性的影 响，探讨了样品表面光电压谱与其光催化活性的关系，说明了可以通过表面光电压 谱的测试来初步地评估纳米粒子的光催化活性。结果表明：随着ZnO纳米微晶尺寸 的减小，其SPS信号强度逐渐变弱，而光催化活性逐渐升高；沉积适量的贵金属Pd 或Ag后，ZnO纳米粒子的SPS信号强度明显下降，而其光催化活性却有所升高。此外 ，对ZnO纳米粒子光催化剂的失活机理进行了分析。     

二氧化锡纳米粒子在高硅TON，MFI和FAU型沸石外表面的形成和聚集

将高硅TON, MFI和FAU沸石分别浸渍于SnCl₂溶液，再于873 K温度下焙烧，在高硅TON,MFI和FAU沸石外表面制备出二氧化锡纳米粒子。用XRD和SAED表征生成物的物相，TEM表征形成二氧化锡纳米粒子的形貌、尺寸和聚集状态。结果显示：在TON, MFI和FAU沸石外表面形成二氧化锡纳米粒子的尺寸分别在8 nm, 10-80 nm和6 nm。在室温下用40%的氢氟酸分解SnO₂-TON和SnO₂-MFI分别得到二氧化锡微胶囊和网状的二氧化锡纳米结构。同在NaY沸石表面形成的纳米二氧化锡比较，在具有一维孔道体系的TON沸石和二维孔道体系的MFI沸石外表面形成的纳米二氧化锡的形貌与聚集状态都不相同，这表明沸石的骨架类型、表面结构与特性在沸石外表面形成二氧化锡纳米结构时起重要作用。     

乙醇溶液中ZnO纳米粒子的形成机理研究

半导体纳米粒子的研究是当今材料科学及物理化学的热门课题[1－3]．由于纳米粒子具有极大的比表面、尺寸量子化效应及增强的氧化和还原能力等不同于扶林的特殊性质，它被广泛地用于光催化，光电材料的制备及非线性光学材料的研究等[4－6]．ZnO作为一种重要的半导体材料，其纳米粒子的制备近年来也有报导[7－14]．由于ZnO在水中的生成自由能较正，所以一般都在醇溶液中制备，但其具体的成核机理至今并不十分清楚．本工作通过仔细的研究，阐明了ZnO纳米粒子形成过程中的成核和生长机理．1实验部分醋酸锌，氢氧化钠和乙醇均为分析纯试剂．制…     

多级SAPO-34的合成及其在甲醇制烯烃反应中的催化性能

针对SAPO-34在甲醇制烯烃（MTO）催化过程中易于失活的问题,采用水热法合成了具有不同粒径及多级孔SAPO-34。详细研究了铝源、硅源对SAPO-34分子筛晶粒尺度的调控性能及二次模板剂对多级孔SAPO-34合成的影响。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换红外（FT-IR）、N₂吸附-脱附,透射电子显微镜（TEM）以及NH₃-TPD等手段对合成的材料进行了表征。结果表明采用不同铝源可以实现对SAPO-34粒径的有效调控,二次模板剂的引入可以在纳米SAPO-34晶粒内部创造出孔壁晶化的晶内介孔结构。在甲醇制烯烃的催化反应过程中,大颗粒SAPO-34具有较高的低碳烯烃的选择性,多级SAPO-34因为纳米化或介孔的引入使得微孔孔道有效缩短,提高了其在MTO催化反应过程中的稳定性,但是对低碳烯烃的选择性受到抑制,而对油品的选择性则因为外表面积的增大而显著增加。     

多级SAPO-34的合成及其在甲醇制烯烃反应中的催化性能

针对SAPO-34在甲醇制烯烃(MTO)催化过程中易于失活的问题,采用水热法合成了具有不同粒径及多级孔SAPO-34。详细研究了铝源、硅源对SAPO-34分子筛晶粒尺度的调控性能及二次模板剂对多级孔SAPO-34合成的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外(FT-IR)、N2吸附-脱附,透射电子显微镜(TEM)以及NH3-TPD等手段对合成的材料进行了表征。结果表明采用不同铝源可以实现对SAPO-34粒径的有效调控,二次模板剂的引入可以在纳米SAPO-34晶粒内部创造出孔壁晶化的晶内介孔结构。在甲醇制烯烃的催化反应过程中,大颗粒SAPO-34具有较高的低碳烯烃的选择性,多级SAPO-34因为纳米化或介孔的引入使得微孔孔道有效缩短,提高了其在MTO催化反应过程中的稳定性,但是对低碳烯烃的选择性受到抑制,而对油品的选择性则因为外表面积的增大而显著增加。     

糖类对SAPO-34分子筛的结构以及MTO性能的影响

以廉价的木糖、蔗糖、淀粉和葡甘聚糖为硬模板剂成功合成出含多级孔道的SAPO-34分子筛,采用XRD、BET、SEM、TEM、ICP和NH₃-TPD等手段对催化剂进行了表征,并在固定床上,研究了糖类硬模板剂对SAPO-34分子筛的结构以及MTO性能的影响。结果表明,糖类硬模板剂能够提升SAPO-34分子筛的比表面积、微孔和介孔体积。与常规SAPO-34分子筛相比,多级孔道SAPO-34分子筛的双烯选择性和寿命均高。介孔体积最大、酸量最少、酸性最弱的SAPO-34-z分子筛的寿命最长（130 min）,高出常规SAPO-34分子筛（100 min）30%,分子筛寿命从长到短顺序为SAPO-34-z > SAPO-34-h > SAPO-34-d > SAPO-34-m > SAPO-34 > SAPO-34-p。含多级孔道的SAPO-34分子筛的双烯选择性均高于常规SAPO-34分子筛。     

二乙胺导向合成SAPO-34及与其它模板剂的对比

以二乙胺 (DEA) 为模板剂, 合成了 SAPO-34 分子筛, 详细考察了磷酸用量、水用量以及硅源和铝源等因素的影响. 结果表明, 在 0.7 ≤ n(P2O5)/n(Al2O3) ≤ 1.2 及 25 ≤ n(H2O)/n(Al2O3) ≤ 100 范围内, 可以得到纯相 SAPO-34 分子筛, 铝源对所得样品的组成影响较大. 同时, 采用三乙胺 (TEA)、吗啉 (MOR) 以及二乙胺-三乙胺 (DEA-TEA) 混合模板剂合成了 SAPO-34, 通过 X 射线衍射、X 射线荧光分析、扫描电镜、热重和 29Si 固体核磁共振等手段对所得样品进行了表征. 结果显示, 不同模板剂促使硅进入 SAPO-34 骨架的能力顺序为 SAPO-34 (DEA) SAPO-34 (MOR) SAPO-34 (TEA); SAPO-34 骨架中所能容纳的最大 Si(4Al) 含量顺序为 SAPO-34 (DEA) ≈ SAPO-34 (MOR) SAPO-34 (TEA).     

制备条件对SAPO—34分子筛结构及MTO活性的影响

用水热法合成ＳＡＰＯ－３４分子筛,ＸＲＤ分析和微反评价表明,改变物料配比可能形成纯净的ＳＡＰＯ－５分子筛、ＳＡＰＯ－３４分子筛、ＳＡＰＯ－５和ＳＡＰＯ－３４混晶或无定形物质,不同产品的ＭＴＯ催化性能也不相同;不同的模板剂虽然能够诱发ＳＡＰＯ－３４晶核的产生,合成纯的ＳＡＰＯ－３４晶体,但用不同模板剂合成的分子筛在晶体结构及催化活性方面存在明显的差别,以三乙胺（Ｅｔ３Ｎ）为模板剂合成的ＳＡＰＯ－３４催化性能及晶体稳定性优于以二乙胺（ＤＲＡ）为模板剂合成的ＳＡＰＯ－３４;焙烧过程对晶体完美程度有很明显的影响,而且也可能改变晶胞尺寸,使晶体ＸＲＤ衍射峰位发生移动     

用氟化氢－三乙胺复合模板剂合成SAPO－34分子筛的晶化历程

 应用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、红外光谱（FT－IR）、核磁共振（NMR）和热重分析（TGA）等表征手段研究了以HF－三乙胺复合模板剂合成SAPO－34分子筛的晶化历程．结果表明，在晶化过程中有SAPO－5分子筛生成，而随着晶化时间的延长，SAPO－5逐渐消失．通过SEM可以看出，SAPO－34的晶化在60h内不断进行，直到生成晶面完美的SAPO－34分子筛晶体．NMR研究表明，晶化过程中先生成磷酸铝结构，随后硅原子逐渐进入SAPO－34分子筛骨架．对晶化不同时间的SAPO－34分子筛进行了甲醇制低碳烯烃反应的性能评价，发现晶化12h的分子筛样品已经具有良好的催化性能．     

Synthesis and Applications of SAPO-34 Molecular Sieves

Silicoaluminophosphate zeolite (SAPO-34) has been attracting increasing attention due to its excellent form selection and controllability in the chemical industry, as well as being one of the best industrial catalysts for methanol-to-olefin (MTO) reaction conversion. However, as a microporous molecular sieve, SAPO-34 easily generates carbon deposition and rapidly becomes inactivated. Therefore, it is necessary to reduce the crystal size of the zeolite or to introduce secondary macropores into the zeolite crystal to form a hierarchical structure in order to improve the catalytic effect. In this review, the synthesis methods of conventional SAPO-34 molecular sieves, hierarchical SAPO-34 molecular sieves and nanosized SAPO-34 molecular sieves are introduced, and the properties of the synthesized SAPO-34 molecular sieves are described, including the phase, morphology, pore structure, acid source, and catalytic performance, in particular with respect to the synthesis of hierarchical SAPO-34 molecular sieves. We hope that the review can provide guidance to the preparation of the SAPO-34 catalysts, and stimulate the future development of high-performance hierarchical SAPO-34 catalysts to meet the growing demands of the material and chemical industries.     

以正丁胺为模板剂合成SAPO-34及其在氨甲基化反应中的应用

以正丁胺为模板剂首次合成了纯相的SAPO-34分子筛.考察了硅投料量、硅源种类以及晶化温度等条件对所得样品性质的影响.发现反应温度为200°C时,不加入硅源,合成产物为磷酸铝层状相kanemite;加入硅溶胶后,产物中开始有SAPO-34晶体出现,且随着硅投料量的增加,kanemite逐渐消失,SAPO-34分子筛成为主要产物,最终在SiO2/Al2O3摩尔比为0.6-1.4时得到纯相的SAPO-34.不同的硅源对SAPO-34产品的形貌和尺寸影响较大.反应温度为160°C时,合成体系中无法晶化得到SAPO-34,当提高至240°C后,由于层状相在高温下不能稳定存在,此时可以在较宽的硅投料区间内合成得到纯相SAPO-34产品.在200和240°C时,考察了使用同样的初始凝胶合成SAPO-34样品的晶化过程.发现在200°C时,合成体系中最初大量生成了kanemite,随后逐渐减少,SAPO-34晶体开始生成并最终成为唯一产物.而在240°C时,无机原料很快被溶解,之后大量的SAPO-34晶体快速生成,产物的收率和相对结晶度迅速增加,且整个晶化过程中并无层状相生成.这再次证明了高温对层状相的生成有着明显的抑制作用,因此提高晶化温度可以成为一种有效调节产品晶相的方法,特别是在容易产生层状相杂质的合成体系中.鉴于胺热合成方法的诸多优点,例如较高的收率、较好的吸附分离及催化反应效果,几种伯胺(正丁胺、正丙胺、环己胺)被用于充当模板剂和溶剂来合成得到了SAPO分子筛产品.其中,正丙胺为一种新的合成SAPO-34的模板剂.对SAPO-34产品进行X射线衍射、X射线荧光分析、扫描电镜、N2物理吸附、NH3程序升温脱附、热重和固体核磁共振等表征.结果显示,得到的SAPO-34产品具有很好的结晶度、孔结构以及合适的酸性.使用氨甲基化反应对正丁胺合成的SAPO-34进行催化反应评价.结果显示,该样品对甲胺和二甲胺具有很高的择形选择性,是一种具有潜在前景的甲胺合成催化剂.     

晶种存在形态对所合成的SAPO-34分子筛性质及其甲醇转化催化性能的影响

采用常规水热合成法、添加粉末晶种和添加含有分子筛前驱体的液相晶种等方法制备了低硅铝比的SAPO-34分子筛。采用XRD、SEM、FT-IR及TPD等表征手段研究了合成方法对晶体结构、形貌、晶粒粒径及酸性的影响。并在固定床上对比了其甲醇转化制烯烃的催化性能差异。结果表明,晶种存在形态对分子筛的结晶度影响不大,但影响了硅在骨架中的分布、晶粒粒径和酸性等。与添加粉末晶种相比,采用含有分子筛前驱体的液相晶种法更有利于减小分子筛晶粒粒径,降低分子筛酸性,提高低碳烯烃选择性。     

低硅SAPO-34分子筛的复合模板剂法合成及其对甲醇制烯烃的催化性能

系统考察了模板剂比例和晶化条件对复合模板剂(三乙胺+四乙基氢氧化铵)法合成低硅SAPO-34分子筛的影响;评价了合成产物对甲醇制烯烃的催化性能.结果表明,190℃晶化时不易合成低硅SAPO-34分子筛,而170℃晶化、模板剂组成为2Et3N+0.3TEAOH时可合成纯相SAPO-34分子筛.较高温度晶化时,延长晶化时间,SAPO-34有向SAPO-5转晶的趋势,而较低温度晶化时则相反.与晶化3 d的分子筛样品相比,170℃晶化5 d后的分子筛样品的比表面积较大、强酸中心较多、弱酸中心较少、对甲醇制烯烃反应的催化寿命较长.