氟改性对纳米 HZSM-5 分子筛催化甲醇制丙烯的影响

 在比较了纳米和微米 HZSM-5 分子筛催化甲醇制丙烯反应性能的基础上, 对纳米 HZSM-5 分子筛进行了氟改性. 利用透射电镜、N2 吸附、X 射线衍射、氨程序升温脱附和吡啶吸附-红外光谱技术对改性前后的样品进行了表征, 并在常压、500 oC 和甲醇空速 (WHSV) 为 1.0 h–1 的反应条件下, 在连续流动固定床微型反应器上考察了其催化甲醇制丙烯的性能. 结果表明, 当氟含量<10% 时, 随氟含量的增加, 改性纳米 HZSM-5 分子筛的酸量减少, 酸强度降低, 从而使丙烯选择性和催化剂稳定性不断提高. 但过量 (15%) 氟的改性使纳米 HZSM-5 分子筛的酸量、比表面积和孔容均明显减小, 致使其稳定性反而降低. 在适量 (10%) 氟改性的纳米 HZSM-5 分子筛上, 丙烯选择性和维持甲醇完全转化的反应时间分别由原来的 30.1% 和 75 h 增加到 46.7% 和 145 h.     

纳米薄层HZSM-5分子筛催化甲醇制丙烯

在合成系列硅铝比纳米薄层HZSM-5分子筛的基础上,研究了纳米薄层HZSM-5分子筛催化甲醇制丙烯(MTP)的反应性能.在固定床微反装置上详细考察了工艺条件对纳米薄层HZSM-5分子筛催化性能的影响,同时与纳米HZSM-5分子筛对MTP反应的催化性能进行了比较.结果表明,纳米薄层HZSM-5分子筛具有较高的目的产物选择性和较长的催化寿命.在适宜硅铝比(n(SiO2)/n(Al2O3)=213)和反应条件下(温度470°C,甲醇质量空速为3 h-1),丙烯的选择性达到46.7%,三烯(乙烯、丙烯和C4烯烃)选择性达到78.7%.其中,丙烯/乙烯的质量比可达到6.5,是纳米HZSM-5分子筛的2倍,而芳烃的选择性比纳米分子筛明显降低.这是因为纳米薄层HZSM-5分子筛比纳米HZSM-5分子筛具有较宽的(010)晶面、较大的外比表面积和介孔孔容.     

不同金属改性HZSM-5催化剂的甲醇羰基化反应性能

以具有酸性特性的HZSM-5分子筛为载体,结合金属本身具有的羰基化活性,可以更好的提高羰基化反应效率。采用负压沉积沉淀法对HZSM-5催化剂进行Pt、Pd、Cu、Au、Zn改性,制备不同酸度的催化剂。利用X射线衍射、NH₃程序升温脱附、吡啶吸附FTIR、N₂吸附-脱附和X射线荧光分析研究了不同金属对催化剂物理化学性质及不同负载型HZSM-5催化剂对甲醇羰基化产物的分布和产率的影响。结果表明,不同金属的引入对HZSM-5催化剂的比表面积、孔径和孔体积影响较小,但明显地改变了催化剂表面的酸强度。Pt、Au、Zn和Cu改性后的催化剂更有利于甲醇羰基化反应的进行,其中Cu/HZSM-5催化剂在400℃的甲醇转化率高达90.2%,比HZSM-5催化剂的甲醇转化率高12%,但目标产物的选择性比Pt/HZSM-5及Au/HZSM-5的低。总的来看,金属的引入改变了催化剂表面Brønsted酸（B酸）和Lewis酸（L酸）中心的数量,甲醇的转化率随总酸量的增加而增加,催化剂表面B酸与L酸的比例在0.3~0.5时,催化剂表现出更好的羰基化作用。     

水热处理对纳米HZSM-5分子筛酸性及催化甲醇制丙烯反应性能的影响

对纳米HZSM-5分子筛进行水热处理,利用N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、铝固体核磁共振(27AlMASNMR)、氨-程序升温脱附(NH3-TPD)和吡啶吸附傅立叶变换红外(FT-IR)光谱等技术对改性前后样品的结构和酸性进行了详细表征,并在常压、500℃和甲醇质量空速(WHSV)为1.0h-1的反应条件下,在连续流动微型固定床反应器上考察了其催化甲醇转化制丙烯反应的性能.结果表明,适度的水热处理使纳米HZSM-5分子筛骨架脱铝并经柠檬酸洗涤而除去,酸量减少,酸强度降低,孔容和孔径增大,从而使丙烯的选择性和维持甲醇完全转化的反应时间(即催化剂寿命)分别由改性前的30.1%和75h显著提高至38.9%和160h.但过高温度的水热处理使纳米HZSM-5分子筛的酸性明显减弱,强酸中心几乎完全消失,故使丙烯的选择性和催化剂的稳定性反而大大降低.     

HZSM-5纳米颗粒中Ca含量对甲醇制烯烃反应及积炭生成的影响（英文）

随着经济发展和能源需求不断增加,资源合理配置显得尤为重要。以天然气为原料的甲醇制烯烃(MTO)技术的发展,为弥合日益扩大的低碳烯烃供需矛盾提供了一条可替代传统石油化工路线、有广阔应用前景的合成路径。酸性调节对MTO催化剂的催化性能及积炭问题的解决至关重要。本研究通过改变Ca含量调节催化剂的酸性并测定系列Ca改性HZSM-5催化剂(9≤Ca/Al≤54)的甲醇转化率和低碳烯烃选择性以及催化剂稳定性,研究了Ca含量对150 nm Si/Al比为230的HZSM-5纳米颗粒催化甲醇制烯烃性能及积炭生成的影响。利用阳离子引入策略调节Lewis酸和Bronsted酸的比例及酸强度,研究了不同Ca离子含量对HZSM-5催化剂催化MTO转化的影响。首先,合成NaZSM-5纳米颗粒并通过离子交换法制备HZSM-5分子筛,然后采用浸渍法制备不同Ca/Al比的Ca-HZSM-5催化剂。其次,分别在390、440以及490℃温度条件及不同的空速条件下对常压固定床中系列Ca改性HZSM-5催化剂进行催化性能测试。在490℃的温度条件及空速为9 h-1条件下对HZSM-5催化剂和Ca27-HZSM-5催化剂进行了约100 h的稳定性测试。采用配备HP-Plot Q色谱柱(30 m×0.53 mm×40μm)、FID检测器的气相色谱仪(Agilent 7890)在线分析气相产物并通过室温冷凝对液相产物进行离线分析。最后,利用XRD、BET、FESEM、IR、NH3-TPD、TGA手段对Ca改性HZSM-5催化剂进行表征,探究催化剂的构成和催化剂催化性能以及催化剂积炭失活之间的关系。从该系列Ca-HZSM-5催化剂催化性能结果结合系列表征结果可以看出,Ca含量对甲醇制烯烃反应及积炭生成影响结果如下:(1)通过调节Ca含量,可获得催化MTO反应性能最佳的Ca27-HZSM-5 (Ca/Al=27)催化剂,该催化剂在490℃反应条件下的乙烯产率为0.11,丙烯产率为0.14。通过FT-IR、吡啶红外吸附以及NH3-TPD结果分析可得,Ca27-HZSM-5催化剂在该类Ca改性催化剂中具有最多的易接触Lewis酸性位点,同时Lewis酸在总酸位点中占比最大并且酸强度也有所增强。(2)通过热重分析及反应后催化剂颜色变化可以推断Ca掺杂的HZSM-5催化剂可显著降低催化剂上积炭的生成。(3)Ca掺杂HZSM-5催化剂上其低碳烯烃产率在研究温度范围内不受温度变化的影响并且该Ca掺杂HZSM-5催化剂相较于未掺杂的HZSM-5催化剂乙烯和丙烯的产率得到了提高。(4)适当的Ca掺杂HZSM-5催化剂上较轻的芳香碳在积炭中的占比较大。通过引入阳离子调节分子筛催化剂的酸性是优化该类催化剂催化脱水反应的有效手段。基于此,本研究通过掺杂Ca阳离子优化了HZSM-5分子筛催化MTO反应的性能。由于Ca掺杂,降低了催化剂的酸性从而抑制了质子转移反应并显著降低了催化剂酸位点上齐聚反应的进行进而抑制芳烃循环路径低碳烯烃的生成。适当数量的Ca掺杂,由于最弱的空间位阻效应,暴露出更多易接触Lewis酸位点使得该催化剂具有良好的活性和较高的低碳烯烃选择性。在研究的温度范围内,Ca掺杂HZSM-5催化剂催化MTO反应的能垒降低。同时Ca掺杂可适当降低积炭的生成速率,长时间进行催化反应仍会导致积炭的生成。     

HZSM-5分子筛上甲醇制烯烃典型产物的传质行为研究

分子筛催化甲醇制烯烃反应(MTO)是典型的扩散主导反应过程,运用频率响应技术系统研究了几种典型产物分子(乙烯/乙烷、丙烯/丙烷、苯)在HZSM-5分子筛上的扩散行为。结果表明,频率响应法成功辨析了不同产物分子的传质规律,证实C2和C3烃分子在HZSM-5微孔孔道内具有相近的扩散速率,但由于受晶体表面阻碍效应影响不同,乙烷分子可自由进出HZSM-5分子筛孔道,而丙烷分子则受到较显著的微孔孔道扩散限制。另外,苯分子的扩散速率显著小于C2和C3分子,且苯分子受晶体表面阻抗效应的影响较小。本研究结果可用于解释HZSM-5分子筛在MTO反应中产物选择性的特点及表面结焦原因,进而从传质角度为高活性、选择性以及稳定性的高效甲醇转化制烃催化剂的定向开发提供理论指导。     

甲醇与丙烯在HZSM-5上的吸附及催化机理研究

用红外光谱、氘交换及脉冲催化反应综合考察了甲醇与丙烯在HZSM-5型沸石上的吸附及催化转化。发现甲醇在<120℃下抽空活化的HZSM-5上吸附时,在一些强质子酸中心有甲氧基生成,而室温下甲醇是以分子间氢键缔合成多聚物的形式吸附在HZSM-5表面上。丙烯在该沸石上强质子酸中心吸附时,双键立即被打开,生成正碳离子。丙烯芳构化和烷基化等都属正碳离子机理。最后讨论了甲醇在反应条件下于HZSM-5上催化转化成汽油的反应机理。     

H-ZSM-5分子筛不同孔道处的酸位在甲醇制烯烃反应中的催化作用

甲醇制烯烃(MTO)作为一条由煤、天然气和生物质等含碳资源制备重要有机化学品的非石油路线,近年来备受关注.作为MTO催化剂,分子筛的骨架拓扑结构和酸性质对于其催化活性、反应路径和产物分布等具有重要的影响.H-ZSM-5分子筛是一种典型的MTO反应催化剂,酸位可以分布在MFI拓扑结构的直孔道、正弦孔道和交叉位点处.虽然目前已普遍认可MTO反应遵循芳烃/烯烃双循环烃池机理,分子筛的催化性能与其骨架中酸中心的位置相关,但对于H-ZSM-5分子筛不同孔道位置处的酸中心在甲醇制烯烃反应中的催化作用仍缺乏足够认识.本文采用密度泛函理论计算和分子动力学模拟方法,对H-ZSM-5分子筛不同孔道处(包括正弦孔道、直孔道和交叉腔)酸位中心上的MTO反应网络(包括芳烃循环、烯烃循环和芳构化)及甲醇原料和烯烃/芳烃产物的扩散行为进行了比较研究.结果表明,与正弦孔道和直孔道相比,芳烃循环和芳构化反应在交叉腔的酸中心上因具有较低的能垒而更易进行.相比之下,在正弦孔道和直孔道中,多甲基苯的生成受到显著限制,而烯烃循环却可以在三种酸中心(正弦孔道、直孔道和交叉腔)上以相近的能垒和相似的几率进行.芳烃循环生成乙烯和丙烯的几率相近,而烯烃循坏产物以丙烯和较高的烯烃产物为主.落位于H-ZSM-5交叉腔的酸中心能促进芳烃中间体如多甲基苯的生成,推动芳烃循环,提高乙烯选择性,而正弦孔道和直孔道中的酸中心则能增强烯烃循环,生成较多的丙烯和较高的烯烃产物.因此,H-ZSM-5分子筛对MTO的催化性能(包括活性和产物选择性等),可以通过有目的地调节酸中心在分子筛骨架中的位置分布(即铝落位)而得到有效调变和提升.本文阐明了H-ZSM-5分子筛酸中心在MTO反应中的催化作用与其骨架中的落位之间的有机联系,为高效甲醇转化分子筛催化剂的设计和性能提升提供了参考思路.     

氟硅酸铵改性纳米HZSM-5分子筛催化甲醇制丙烯

在静态条件下, 采用不同浓度的氟硅酸铵溶液对纳米ZSM-5分子筛进行了改性处理. 利用粉末X射线衍射(XRD)、²⁷Al 魔角旋转固体核磁共振(²⁷Al MAS NMR)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂ 吸附、透射电镜(TEM)、NH₃程序升温脱附(NH₃-TPD)、吡啶吸附红外光谱(Py-IR)等技术对改性前后纳米ZSM-5分子筛的骨架结构、织构性质、酸性质进行了表征. 并在常压、反应温度为450℃、甲醇质量空速(WHSV)为1 h^-1的条件下, 研究了改性前后纳米HZSM- 的甲醇制丙烯(MTP)催化性能. 结果表明, 合适浓度的氟硅酸铵处 理能够选择性地脱除纳米ZSM-5 分子筛的外表面铝, 从而使得HZSM-5 的酸密度降低, 比表面积和孔容增大, MTP催化性能显著提高. 氟硅酸铵改性后纳米HZSM-5 的丙烯选择性和丙烯/乙烯(P/E)质量比分别由原来的 28.8%和2.6提高到45.1%和8.0, 催化剂寿命增加了近2倍.     

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。     

HZSM-5分子筛在甲醇制丙烯反应中的失活与再生

研究了甲醇制丙烯(MTP)催化剂经过多周期反应后失活的本质原因,据此提出了一种简便易行的催化剂再生方法,即二次晶化法,并将其应用到失活MTP催化剂的再生中。采用X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附、²⁷Al魔角旋转固体核磁共振(²⁷Al MAS NMR)、NH₃程序升温脱附(NH₃-TPD)、吡啶吸附红外(Py-IR)光谱等测试技术对再生前后HZSM-5分子筛催化剂的晶体结构、硅铝比、织构性质、酸性质等进行了表征。并在常压(甲醇分压为30 kPa)、反应温度为470 ℃、甲醇质量空速(WHSV)为1 h^-1的条件下,研究了再生前后HZSM-5分子筛催化剂的催化性能。结果表明,分子筛晶体结构被破坏、活性位流失是多周期反应后HZSM-5分子筛催化剂活性下降的主要原因。经过二次晶化再生后,催化剂的相对结晶度、比表面积、孔容和酸量都明显提高,晶体结构和活性位得到了有效修复,再生催化剂在MTP反应中重新表现出优异的甲醇转化能力和丙烯选择性。     

Synthesis of HZSM-5 zeolites with excellent DME aromatization properties by orthogonal test

Abstract

The synthesis conditions of HZSM-5 zeolite, including crystallization temperature, crystallization time and raw material ratio, were investigated by L₃₂ (4⁸) orthogonal test to specifically optimize its performance in dimethyl ether (DME) aromatization for the first time. Based on the total yield of aromatic products, the synthesis conditions of HZSM-5 zeolite with the best DME aromatization properties were obtained by comprehensive analysis and validation experiments. The relationship between the aromatization performance, crystalline structure, pore structure, and acidity of HZSM-5 zeolite were analyzed. The results showed that the HZSM-5 zeolite accompanied by hierarchical structure, an appropriate Brønsted and Lewis acid content and uniform crystal morphology, was successfully synthesized under optimized conditions. Over this unmodified and un-doped catalyst, the conversion of DME approached to 99.3% and the total yield of aromatics reached was 53.5%.     

晶粒大小对ZSM-5分子筛甲醇制低碳烯烃催化性能的影响

对三种HZSM-5分子筛进行Ca改性,获得两组酸性接近的催化剂,考察了晶粒大小对甲醇制低碳烯烃(MTO)反应的影响。通过进一步与Na改性的比较,探讨了Ca在催化反应中的作用。采用扫描电镜(SEM)测定晶粒大小及形貌,氨气程序升温脱附(NH3-TPD)及吡啶红外吸附(Py-IR)表征催化剂的酸性。MTO催化性能测定结果表明,HZSM-5的低碳烯烃选择性较低且下降较快,催化活性降低也快;Ca改性降低酸性,提高了低碳烯烃选择性和催化稳定性;晶粒大小主要影响催化稳定性,小晶粒分子筛催化剂稳定性更好。高Ca含量改性效果更好;钠改性也提高了低碳烯烃选择性,但其稳定性较差。对于HZSM-5和Ca/HZSM-5,小晶粒的催化剂具有较好的催化稳定性。提出Ca参与了催化反应,MTO是一个酸碱协同作用的催化过程。     

Catalytic performance of imidazole modified HZSM-5 for methanol to aromatics reaction

A facile approach was developed for the preparation of nano-sized HZSM-5 with a hierarchical mesoporous structure by adding imidazole into conventional zeolite synthesis precursor solution. The physicochemical properties of modified HZSM-5 were characterized by X-ray diffraction(XRD), N_2 adsorption–desorption isotherms, scanning electron microscopy(SEM), NH_3-temperature-programmed desorption(NH_3-TPD) and pyridine adsorption infrared spectroscopy(Py-IR). The coke in spent catalysts was characterized by thermogravimetry(TG). The results showed that hierarchical HZSM-5 zeolites with excellent textural properties, such as abundant porous structure, uniform particle size and suitable acidity, could be synthesized by the recipe of one-pot synthesis routes. Moreover, the obtained HZSM-5 exhibited higher selectivity of total aromatics as well as longer lifetime in the catalytic conversion of methanol to aromatics, comparing with conventional HZSM-5. It is expected that the synthesis approach demonstrated here will be applicable to other zeolites with particular textural properties and controllable particle sizes, facilitating the emergence of new-type porous materials and their related applications in catalysis and separation.     

硼改性HZSM-5对催化MTP反应活性影响

水热晶化一步合成了BHZSM-5分子筛，投料SiO₂/Al₂O₃=100、200，其中，B₂O₃/Al₂O₃=1，研究了其甲醇制丙烯（MTP）催化活性。硼改性提高了丙烯选择性，并有利于稳定活性。硼修饰引起合成样品的强B酸量减少；水热（480℃）环境条件下，BHZSM-5的强B酸量保留量约50%，相比HZSM-5，酸性位点保留较多，显示增强的水热稳定性；同时骨架Al分布发生了变化：位于晶体直孔道和正弦孔道的Al稳定，孔道交叉口的Al易于脱除，有利于基于烯烃循环机理的MTP活性。水热处理空速由1 h^-1增加到9 h^-1，B酸量进一步下降，晶体孔道交叉口的Al脱除更多。     

固体酸催化剂上的甲苯硝化反应

研究了ＨＭ，ＨＺＳＭ－５和其它几种固体酸催化剂上的甲苯硝化反应，发现高硅铝比ＨＺＳＭ－５沸石的活性及对位选择性最高，甲苯转化率达６５％，ｐ／ｏ比达０．７８．通过考察沸石晶粒大小、酸性强弱、脱铝程度和阳离子交换等因素对反应活性和选择性的影响，发现该反应主要在沸百孔内进行，对位选择性与沸石的孔径存在一定对应关系．沸石催化剂除能促进ＨＮＯ３解离成ＮＯ外，对甲苯也有活化和富集作用，因而反应活性与催化剂的酸性有关，适当增加沸石的亲油性也有利于提高硝化反应活性．     

P-HZSM-5分子筛的一步法直接合成及其MTP催化性能的研究

以正硅酸乙酯、偏铝酸钠、磷酸、四丙基氢氧化铵为原料,采用水热法,一步直接合成了P-HZSM-5分子筛,着重考察了磷酸对其结构、酸性、粒径和甲醇转化制烯烃(MTO)催化性能的影响。结果表明,随着磷酸用量的增加,其晶体对称性由正交晶系转变为单斜晶系,合成的P-HZSM-5分子筛的结晶度降低;同时,进入分子筛骨架的铝含量减小,分子筛酸性降低,粒径逐渐变大,形貌由球形变为长条形。这些变化显著影响甲醇转化制烯烃反应的选择性。n(H3PO4)/n(Al2O3)投料比分别为2和4时,乙烯与丙烯总的收率相近(分别为52.30%和52.63%);然而产物的丙烯/乙烯比(P/E)有明显差异(分别为7.02和4.12);通过调节磷酸用量,可以调控丙烯(或乙烯)的选择性。     

不同模板剂合成具有介微结构的ZSM-5分子筛及其甲醇制丙烯性能

分别采用四丙基氢氧化铵(TPAOH),十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和N-十八烷基-N'-己基-四甲基-1, 6-己二铵(C_18-6-6Br₂)作为模板剂,合成了具有不同介微结构的纳米ZSM-5分子筛(NZ),介孔ZSM-5分子筛(MZ)和纳米薄层ZSM-5分子筛(NSZ).对合成的样品进行X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM), N₂吸附-脱附和氨程序升温脱附(NH₃-TPD)表征,并与传统微孔ZSM-5分子筛(CZ)对比.结果表明,样品的介孔孔容和外表面积大小的顺序为NSZ > MZ > NZ > CZ,强/弱酸之比的顺序为CZ > MZ > NZ > NSZ.在甲醇制丙烯(MTP)反应中,催化剂的介微结构特征影响MTP反应的产物选择性及稳定性,丙烯和总低碳烯烃选择性随着介孔孔容的增加而增加, NSZ样品具有最高的丙烯选择性(47.5%)及总低碳烯烃选择性(78.4%).此外,介孔的引入能适当延长催化剂的寿命,具有适宜酸性质的NZ样品的催化寿命最长(200 h).