正丁烷和异丁烷在改性纳米HZSM-5上的芳构化反应

用脉冲微反装置评价了正丁烷和异丁烷在氢型和锌改性的纳米ZSM-5催化剂上的反应活性和芳构化选择性.结果表明,在550℃下,异丁烷在氢型和不同锌负载量的纳米ZSM-5催化剂上的转化率都远高于正丁烷,但其芳构化选择性低于正丁烷.脱甲基活化是异丁烷和正丁烷的重要活化方式,也是影响其芳构化选择性的主要因素.锌改性在提高异丁烷和正丁烷转化率的同时,也促进了正丁烷和异丁烷的脱甲基活化.在混合丁烷进料反应的情况下,正丁烷和异丁烷的转化率与其单独进料时十分接近,这说明正丁烷和异丁烷共存时不会发生明显的竞争吸附和反应.纳米ZSM-5因晶粒度小,孔道短和微孔扩散阻力低而有利于异丁烷转化.     

SAPO-34分子筛催化丁烯转化制丙烯的研究

通过水热法合成SAPO-34分子筛,将其制成催化剂用于催化丁烯转化制取丙烯,考察了反应温度、空速和铝磷比等对催化性能的影响;还比较了SAPO-34分子筛与ZSM-5分子筛催化该反应的差异.结果表明,在实验范围内,反应温度升高会使得丁烯的转化率明显增高,且丙烯选择性提高;而空速增加,则丁烯的转化率和丙烯选择性降低;铝磷比越大,对丙烯的选择性越差.在有效的反应时间内,SAPO-34分子筛催化效果好于ZSM-5分子筛,但单程寿命较ZSM-5分子筛短.     

纳米Pd/ZSM-5的原位法制备及催化肉桂醛加氢

采用共沸精镏辅助的原位法成功合成了高度分散的Pd纳米颗粒负载在ZSM-5中(Pd/ZSM-5-IS)分子筛催化剂。通过XRD、TEM、XPS等手段对Pd/ZSM-5-IS的样品进行了表征,并考察反应压力、反应温度、反应时间对肉桂醛加氢催化性能的影响。结果表明:原位法制备的Pd/ZSM-5-IS催化剂比浸渍法制备的Pd/ZSM-5-IM催化剂具有更高的催化稳定性,其主要归因于Pd纳米颗粒进入ZSM-5的晶内介孔有效防止活性位点的损失和聚集。当反应温度为80℃,反应压力为1 MPa,反应时间为3 h时为最佳反应条件,肉桂醛的转化率为87.23%,苯丙醛的选择性为76.68%。     

纳米Pd/ZSM-5的原位法制备及催化肉桂醛加氢

采用共沸精镏辅助的原位法成功合成了高度分散的Pd纳米颗粒负载在ZSM-5中（Pd/ZSM-5-IS）分子筛催化剂。通过XRD、TEM、XPS等手段对Pd/ZSM-5-IS的样品进行了表征,并考察反应压力、反应温度、反应时间对肉桂醛加氢催化性能的影响。结果表明：原位法制备的Pd/ZSM-5-IS催化剂比浸渍法制备的Pd/ZSM-5-IM催化剂具有更高的催化稳定性,其主要归因于Pd纳米颗粒进入ZSM-5的晶内介孔有效防止活性位点的损失和聚集。当反应温度为80℃,反应压力为1 MPa,反应时间为3 h时为最佳反应条件,肉桂醛的转化率为87.23%,苯丙醛的选择性为76.68%。     

硅烷化改性对纳米ZSM-5甲醇制汽油催化剂性能的影响

对比了水热处理后微米ZSM-5和纳米ZSM-5分子筛的物化性质和催化甲醇制汽油(MTG)的反应性能,发现采用纳米ZSM-5分子筛催化剂能得到较高的汽油收率和较长的寿命,但汽油中均四甲苯含量较高.对纳米ZSM-5分子筛进行硅烷化处理,利用低温N_2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、氨气程序升温脱附(NH_3-TPD)对改性前后的样品进行表征.在温度380℃、压力2.0 MPa、空速3.0 h~(-1)的反应条件下进行MTG反应,对硅烷化改性后的催化剂进行评价.结果表明,负载SiO_2后催化剂的强酸中心降低,比表面积和孔容降低.纳米ZSM-5分子筛合适的SiO_2负载量为2%,硅改性后用于MTG反应,催化剂的寿命和汽油收率分别由改性前的144 h和33.6%显著增加到180 h和34.4%.当SiO_2负载量继续增加时,催化剂寿命和汽油收率逐渐降低.另外,随SiO_2负载量的增加,其催化MTG所得汽油产品中的异构烷烃和芳烃含量降低,烯烃和正构烷烃含量增加,均四甲苯含量显著降低,改善了油品质量.     

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).     

合成气直接转化制低碳烯烃催化剂设计及反应条件优化

采用水热法合成了相同粒径、不同硅铝比的ZSM-5分子筛,并通过浸渍法将Fe基（Fe-Cu-K）催化剂负载于ZSM-5上,系统考察了分子筛硅铝比变化对合成气制烯烃（FTO）反应的影响。结果表明,反应条件、分子筛酸性对CO转化率和低碳烯烃选择性有显著影响。当ZSM-5分子筛硅铝比为50时负载型催化剂有着最高的CO转化率（84.71%）和低碳烯烃选择性（32.08%）。H₂-TPR结果表明,硅铝比为50的Z50/FeCuK中Fe物相的还原度最高。原位漫反射红外光谱（DRIFTS）、热重差热分析（TG-DTA）、X射线粉末衍射（XRD）等结果表明,Z50/FeCuK催化剂表面吸附的碳酸盐和烃类吸附物种最多,且其反应后形成了较多的FeC_x晶相。最后对反应条件进行了优化,结果表明,温度为310 ℃,H₂/CO （volume ratio）=2和压力为1.0 MPa时FTO的催化性能最优。     

调变MTO反应中双循环机理的比重:ZSM-5分子筛上不同接触时间的作用（英文）

低碳烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)是重要的有机化工原料,是现代石油化工的基础,主要通过石脑油裂解和烷烃脱氢制备.现阶段我国原油对外依存度已超过60%,"多煤、缺油、少气"的能源现状决定了以煤或天然气为原料经甲醇制取石化产品成为一种重要的替代途径.甲醇制取低碳烯烃(MTO)过程成为连接煤化工和石油化工的桥梁.ZSM-5分子筛以其高效的甲醇转化能力、优异的低碳烯烃选择性和出色的抗积碳性能成为非常理想的MTO反应催化剂.研究发现ZSM-5分子筛催化MTO反应过程中,乙烯的生成规律与其它C_3–C_7链状烯烃不一致,认为乙烯主要来源于芳烃缩环/扩环循环,而C_3–C_7链状烯烃主要来源于烯烃甲基化/裂解循环,两种循环同时存在.本文于300°C在ZSM-5分子筛上进行MTO反应,通过考察不同空速(WHSV)条件下的MTO反应性能和分析催化剂内留存物种的生成和所起的作用,研究甲醇转化机理.气相流出物种和催化剂内留存物种的分析表明,ZSM-5分子筛催化MTO反应时遵循双循环机理——以多甲基苯和多甲基环戊二烯为主要活性物种的芳烃循环机理和以链状烯烃为主要活性物种的烯烃循环机理.在双循环机理中,芳烃循环和烯烃循环并不是简单叠加,而是相互影响,芳烃循环产生的烯烃可以作为烯烃循环的活性物种促进烯烃循环,烯烃循环中较高级的烯烃经过环化、氢转移作用,能够转化成富氢的烷烃和贫氢的芳烃、环戊二烯物种,贫氢的芳烃和环戊二烯物种又可以作为芳烃循环的主要物种促进芳烃循环的进行.氢转移反应是联系烯烃循环和芳烃循环的重要过程,与反应过程中原料甲醇与催化剂床层的接触时间有关,~(12)C/~(13)C甲醇切换实验揭示了双循环机理与氢转移反应的相关性,通过调变原料甲醇与催化剂床层的接触时间,可以调变氢转移反应的剧烈程度,进而对催化剂上芳烃循环和烯烃循环的甲醇转化能力产生不同的影响.当空速较低时,进料甲醇与催化剂床层的接触时间较长,有利于产物烯烃的氢转移反应,加速了分子筛催化剂上芳烃物种和环戊二烯物种的生成和累积,促进了芳烃循环,主要由芳烃循环生成的乙烯和多甲基苯的气相选择性提高;反之,当空速较高时,进料甲醇与催化剂床层的接触时间减少,产物烯烃的氢转移反应受到抑制,氢转移反应的产物——芳烃和环戊二烯物种的生成数量和累积速率降低,芳烃循环活性不高,使得烯烃循环成为甲醇转化的主要途径,C_3–C_7烯烃显示出更高的活性,在气相流出物种中的选择性也更高.总之,原料甲醇与催化剂床层的接触时间能够显著影响催化剂内留存物种的生成和累积,进而改变两种循环的比重.这些发现对于实现ZSM-5分子筛催化MTO反应过程中的产物烯烃和芳烃的选择性调控具有重要意义.     

纳米 ZSM-22分子筛的水热合成及在甲醇转化反应中的性能

分子筛结构的独特性和多样性使其在催化、吸附分离和离子交换等领域有着广泛应用.近年来,纳米分子筛制备和应用受到极大关注.与传统微米分子筛相比,纳米分子筛具有较小的晶粒尺寸、较大的外表面积和较高的表面活性,能显著提高其分离和催化性能.制备纳米晶体的常用方法有过量模板法、空间限定法、晶种法、离子热合成法及微反应器合成法等.目前,已合成出多种拓扑结构的纳米分子筛,包括 FAU, MFI, MEL和CHA等. ZSM-22是一种具有 TON拓扑结构的一维十元环直孔道分子筛(孔口尺寸为0.45 nm ×0.55 nm),在长链烷烃异构化和烯烃异构化等反应中表现出优异的催化活性.水热合成法是制备 ZSM-22分子筛最常用的方法,所得样品晶粒尺寸为2–15μm,但由于 ZSM-22分子筛是一种亚稳态结构,为了防止杂晶生成,合成通常是在剧烈搅拌(通常大于400 r/min)下进行.目前已有报道在较低转速下合成 ZSM-22分子筛,但产物仍为微米晶体;或在微波辅助水热合成条件下合成亚微米 ZSM-22分子筛,但晶体尺寸不可调且合成过程需要较高功率的微波反应器.因此,在水热条件下合成纯纳米 ZSM-22分子筛仍然是一个巨大挑战.本文在上述研究基础上采用改进的水热合成法成功合成出纳米 ZSM-22分子筛,考察了转速﹑硅铝比及乙醇共溶剂对晶粒尺寸的影响,比较了纳米和常规微米 ZSM-22分子筛的甲醇转化反应性能.结果表明,采用改进的水热合成法能够在较低转速下合成出纳米 ZSM-22分子筛,晶体尺寸在150–800 nm范围可调.通过考察转速对晶粒尺寸的影响,发现静态合成条件下无法形成 ZSM-22分子筛,表明 ZSM-22分子筛合成需要一定的转速.转速在10–50 r/min变化时,可以合成出不同晶体尺寸的 ZSM-22分子筛,且随转速提高, ZSM-22分子筛晶体尺寸先减小后增大,表明纳米 ZSM-22分子筛合成存在最佳转速.另外,配料硅铝比能显著影响 ZSM-22分子筛晶体尺寸,随配料硅铝比增加, ZSM-22分子筛晶体尺寸先减小后增大.通过在合成体系中添加乙醇作为共溶剂,考察了有机溶剂对 ZSM-22分子筛晶粒尺寸的影响,发现有机溶剂能显著增大 ZSM-22的晶体尺寸.将本文合成的纳米和常规微米 ZSM-22分子筛用于甲醇转化反应,考察了晶体尺寸对 ZSM-22分子筛甲醇转化反应性能的影响.发现与常规微米 ZSM-22分子筛相比,纳米 ZSM-22分子筛催化剂寿命显著提高,说明晶粒尺寸减小能有效减缓积碳导致的分子筛失活;同时,反应产物中乙烯和芳烃选择性有所提高,这是由于外表面积增大所致.此外,还考察了不同硅铝比 ZSM-22分子筛的甲醇转化反应性能.结果表明,分子筛硅铝比会影响催化剂寿命,但晶体尺寸对催化剂寿命影响更大. ZSM-22分子筛硅铝比增大有助于提高低碳烯烃选择性,减少芳烃生成.     

1,4-丁二醇气相环化脱水合成四氢呋喃

以1,4-丁二醇为原料,采用气相环化脱水法合成了四氢呋喃.考察了催化剂(γ-Al2O3,ZrO2,CeO2和ZSM-5),反应温度,进料速率和反应时间等因素对环化脱水反应的影响.结果表明,在以γ-Al2O3为催化剂,进料速率为2.4 mL*min-1,于320 ℃反应2 h的最佳反应条件下,1,4-丁二醇的转化率接近100%,四氢呋喃的选择性达99.8%.     

轻烃在改性ZSM－5催化剂上转化成芳烃与低碳烯烃的选择性控制

研究了Ｃ３－Ｃ９烷烃在不同的改性ＺＳＭ－５沸石上的反应规律．过渡金属离子改性的ＺＳＭ－５沸石显示了较高的芳烃选择性，芳烃的选择性还取决于改性金属离子的脱氧能力并可通过预硫化得到改进．钾、钡改性的沸石显示了较高的烯烃选择性，增加钾含量，烯烃选择性显著提高，但也明显抑制了催化剂的活性；提高Ｂａ含量，同样可提高烯烃选择性，但对活性影响不大．环己烯的模型反应结果表明，Ｋ，Ｂａ的作用在于抑制了双分子氢转移反应和提高了脱氢能力．红外表征结果表明，沸石表面的羟基，因不同金属改性而发生不同的变化．此外，气相氧对提高烯烃和芳烃的收率有明显作用     

A Novel Method for Synthesis of ZSM‐5 Coatings on Monolithic Cordierite Substrate

ZSM‐5 coatings, have been synthesized onto a monolithic cordierite substrate by an environmental friendly and high coating selectivity method—Vapor Phase Transport (VPT). With this method, an aluminosilicate gel coated onto the monolithic cordierite substrate has been transformed into a ZSM‐5 layer under vapors of n‐butylamine and water, n‐Butylamine played a key role in the forming of ZSM‐5 layer on the cordierite substrate. The ZSM‐5/cordierite monolith composites prepared by this method were ion‐exchanged with Cu²⁺ and tested for the selective catalytic reduction of NO by propane. The deNO_x activities of Cu/ZSM‐5 monolith catalysts were not only dependent on the ion‐exchange methods, but also on the ZSM‐5 loading of the monolith catalysts. The best result was obtained over the Cu (B3)/ZSM‐5 monolith catalyst, which had a ZSM‐5 loading of about 13% and was prepared by a pressure exchange procedure. At a temperature of 723 K and a space velocity of 10,000 h^?1 (based on the monolith volume), 85% of NO conversion and 93% of C₃H₃ conversion were achieved over the Cu(B3)/ZSM‐5 monolith catalyst.     

C−C Bond Formation in Syngas Conversion over Zinc Sites Grafted on ZSM‐5 Zeolite

Despite significant progress achieved in Fischer–Tropsch synthesis (FTS) technology, control of product selectivity remains a challenge in syngas conversion. Herein, we demonstrate that Zn²⁺‐ion exchanged ZSM‐5 zeolite steers syngas conversion selectively to ethane with its selectivity reaching as high as 86 % among hydrocarbons (excluding CO₂) at 20 % CO conversion. NMR spectroscopy, X‐ray absorption spectroscopy, and X‐ray fluorescence indicate that this is likely attributed to the highly dispersed Zn sites grafted on ZSM‐5. Quasi‐in‐situ solid‐state NMR, obtained by quenching the reaction in liquid N₂, detects C₂ species such as acetyl (‐COCH₃) bonding with an oxygen, ethyl (‐CH₂CH₃) bonding with a Zn site, and epoxyethane molecules adsorbing on a Zn site and a Brønsted acid site of the catalyst, respectively. These species could provide insight into C?C bond formation during ethane formation. Interestingly, this selective reaction pathway toward ethane appears to be general because a series of other Zn²⁺‐ion exchanged aluminosilicate zeolites with different topologies (for example, SSZ‐13, MCM‐22, and ZSM‐12) all give ethane predominantly. By contrast, a physical mixture of ZnO‐ZSM‐5 favors formation of hydrocarbons beyond C₃₊. These results provide an important guide for tuning the product selectivity in syngas conversion.     

催化热解废轮胎制衍生油

催化热解废轮胎对于资源利用及环境保护具有重要意义,近年来引起人们关注.在废轮胎胶粉热解反应中加入催化剂,不仅会加速胶粉裂解速率,缩短反应时间,而且可以通过催化剂择形催化改变产物分布,从而提高目的产物衍生油的收率和性能.国内外对废轮胎催化热解已做了大量研究,以期提高衍生油中高附加值单环芳烃的含量,同时降低S, N和Cl含量,虽然已取得较大进展,但衍生油收率较低,大大降低了该技术的可行性.
　　本文采用带搅拌器的1000 mL不锈钢反应器,在常压条件下研究了反应温度和催化剂类型对废轮胎胶粉热解反应及产物衍生油性能的影响,通过元素分析、馏程模拟和色谱-质谱等表征手段检测了衍生油的理化性能.结果表明,在废轮胎胶粉热解反应过程中,随反应温度上升,出油速率先增加后降低.至500 oC时,热解衍生油收率最高达55.65 wt%,所得衍生油呈黑棕色,具有轻质油含量低、S和N含量高、粘度低和流动性好的特点,其轻质芳烃含量低,却含有大量可以转变为芳烃的脂肪烃类.因此,为了提高衍生油中轻质油和轻质芳烃收率,降低S和N含量,尽量维持较高的衍生油收率,在热解反应过程中引入少量ZSM-5, USY,β, SAPO-11和ZSM-22等常见催化剂,利用催化剂独特的孔道结构和酸分布,达到定向催化和转化的目的,提高轻质芳烃含量.同时,为了克服催化剂与胶粉难以接触进行反应的问题,在反应温度升至200 oC时,维持一定时间保证胶粉发生溶胀和液化反应形成液体烃类,使得催化剂不仅能够均匀分散于液体烃中与其接触进行反应,而且有效提高了反应物料与催化剂之间传质传热效率,使得裂解反应在均相中进行,降低因传热不均匀而造成的结焦和过度裂化反应.在催化热解过程中,1.0 wt%催化剂的加入可明显缩短反应时间,在保证衍生油收率基本不变的情况下,获得的衍生油呈黄棕色,轻质油收率较高为70–75 wt%, S和N含量分别降至0.3–0.58wt%和0.78–1.0 wt%.以具有较高酸性和孔径分布的ZSM-5, USY,β和SAPO-11为催化剂时,衍生油中总芳烃含量可达到50 wt%,其中单环芳烃含量高达45 wt%.     

Reversible Nature of Coke Formation on Mo/ZSM‐5 Methane Dehydroaromatization Catalysts

Non‐oxidative dehydroaromatization of methane over Mo/ZSM‐5 zeolite catalysts is a promising reaction for the direct conversion of abundant natural gas into liquid aromatics. Rapid coking deactivation hinders the practical implementation of this technology. Herein, we show that catalyst productivity can be improved by nearly an order of magnitude by raising the reaction pressure to 15 bar. The beneficial effect of pressure was found for different Mo/ZSM‐5 catalysts and a wide range of reaction temperatures and space velocities. High‐pressure operando X‐ray absorption spectroscopy demonstrated that the structure of the active Mo‐phase was not affected by operation at elevated pressure. Isotope labeling experiments, supported by mass‐spectrometry and ¹³C nuclear magnetic resonance spectroscopy, indicated the reversible nature of coke formation. The improved performance can be attributed to faster coke hydrogenation at increased pressure, overall resulting in a lower coke selectivity and better utilization of the zeolite micropore space.     

ZnZrOx-HZSM-5双功能催化剂催化甲苯与合成气烷基化制对二甲苯

作为重要的有机化工原料,近些年来随着聚酯行业的高速发展,对二甲苯(PX)需求量逐年增高.目前,PX主要通过传统的石油路线生产,例如石脑油催化重整、甲苯歧化和C₈芳烃异构化,这些路线的后续精馏能耗较高.甲醇作为碳源与甲苯烷基化制备PX有效提高了目标产物的选择性,且已实现工业化.然而,由于甲醇生成甲氧基烷基化物种的能垒较高,使反应温度较高,促进了甲醇制烯烃(MTO)副反应的进行,降低了甲醇利用率;且由于积炭的形成,催化剂容易失活.合成气是非石油基资源如煤炭、天然气和生物质等利用的重要平台,在转化为醇类、烯烃以及芳烃路径中将经过甲氧基中间体,因此,本文研发以合成气代替甲醇与甲苯烷基化制备PX的催化剂和催化过程.基于本课题组关于CO₂加氢耦合甲苯烷基化制PX的研究基础,本文将ZnZrO_x(ZZO)与ZSM-5(Z5)混合制得双功能催化剂,用于合成气转化耦合甲苯烷基化制PX.研究结果表明,通过优化催化剂的组成和烷基化反应条件,调控CO加氢反应和甲苯烷基化反应的匹配性,在甲苯转化率为10.3%时,可获得64.8%的二甲苯选择性(不计水煤气变换反应),其中PX占81.8%,气态烃副产物的选择性为10.9%;在相同条件下采用甲醇为烷基化试剂时,二甲苯选择性仅38.5%,其中PX占38.8%,此时气态烃副产物的选择性达26.2%.同位素效应实验结果表明,二甲苯中新增甲基来自于合成气,而非甲苯的歧化反应.催化剂构效研究结果表明,PX的选择性与分子筛孔径、酸性强度以及Br?nsted酸性位点有关;原位红外结果也证实了该反应呈现逆同位素效应(k_H2/k_D2=0.92),表明反应中甲酸盐物种(HCOO*)加氢可能是反应的决速步骤.与传统的甲醇甲苯烷基化路径相比,采用来源广泛和成本较低的合成气与甲苯进行烷基化反应的温度(340℃)更低,有效避免了MTO副反应的发生,同时,该催化剂可在100 h内保持良好稳定性.综上,本工作结果为高效制备高值芳烃PX提供了新思路.     

Au/ZSM-5催化剂催化裂化轻柴油多产丙烯

经过三十多年的研究与开发,金催化已应用到环境污染治理与控制、精细化工合成和能源等领域,涉及的化学反应从简单的 CO氧化和丙烯环氧化等扩展到加氢、羰化和缩合等各类有机合成反应,研究领域从多相催化到均相催化以及光催化等.然而金催化所探索的反应多在较温和的反应条件下进行,对于重油催化裂解这类高温和复杂混合反应物体系的研究几乎无人问津.催化裂化(FCC)过程由于具有能耗较低、原料低廉及装置适应能力强等优点,在增产丙烯方面发挥着重要作用.由于特殊孔结构的择形性、较强的酸性和低的氢转移活性以及良好的水热稳定性, ZSM-5分子筛是目前应用于 FCC多产丙烯催化剂和助剂最为广泛的重要组分.值得注意的是,目前国内外开发的改性 ZSM-5无论是对 C4烃类和石脑油等催化裂解或作为助剂用于 FCC增产丙烯均有积极作用,但反应温度较高(大于510oC);当降低反应温度后,其增产丙烯的能力将受到极大限制.本文利用纳米金低温催化活性高的特点,采用改进的沉积沉淀(DP)方法,通过调变制备参数和金载量,制备了系列金修饰的 ZSM-5催化剂,考察了其对轻柴油催化裂解多产丙烯的催化性能.采用 X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、氨程序升温脱附(NH3-TPD)、透射电镜(TEM)和诱导耦合等离子体光谱(ICP-AES)等手段研究了纳米金的分散状况及其对 ZSM-5物理化学结构的调变.结果发现,在460oC的较低反应温度下,与微米 ZSM-5母体相比,采用常规 DP法制备的经过滤洗涤后未用 NaBH4还原而是在300oC下空气中焙烧,理论金载量分别为0.5,0.8和1.0 wt%的三个纳米金催化剂的微反活性和丙烯选择性均增加.其中丙烯选择性分别提高了8.8%,2.9%和23.2%,微反活性指数分别提高了7.1%,4.3%和4.5%.这表明少量金的引入有利于在较低反应温度下催化裂化轻柴油增产丙烯,反映了其催化裂解烃类化合物的能力. TEM观察表明, Au/ZSM-5催化剂中金粒径分布非常不均匀(<10 nm–<200 nm).然而其中一些金粒子与载体呈扁平式接触,显示了两者间较强的相互作用.另外一些较小的金粒子可能嵌入到狭缝片状 ZSM-5颗粒之间的孔隙中,这可能在一定程度上影响了母体 ZSM-5的孔结构分布及其催化裂化性能. XRD, N2吸附-脱附和 NH3-TPD结果表明,金引入制备参数及其载量的变化导致了母体 ZSM-5载体的 MFI结构、孔结构分布及强弱酸量的变化.上述丙烯选择性和微反活性因
　　金的修饰而同时提高的三个金催化剂,基本保持了完整的 ZSM-5的 MFI结构,并且其孔分布比 ZSM-5窄.金的引入明显提高了 ZSM-5母体的酸性尤其是低温弱酸的酸强度,然而,综合性能优良的催化剂其强弱酸量的比例相近.因此,金修饰导致微反活性和丙烯选择性的同时提高取决于改性催化剂的 MFI结构、孔分布以及强弱酸比例的协同作用,而金载量和金粒子尺寸的影响不明显.一般来讲,修饰的金属主要通过形成正碳离子而在 B酸位上生成轻烯烃.高温水汽老化试验后,金修饰的 ZSM-5比未修饰的ZSM-5保留了更多的酸位,说明金在一定程度上抑制了骨架铝的脱除.扁平状分布在母体上的金粒子与母体间较强的相互作用可能导致部分电子从金属态金转移到(SiAl)O(OH)m上,增加了羟基中质子的流动性而提高了改性分子筛的酸性,有利于正碳离子的形成.     

ZnZrOx-HZSM-5双功能催化剂催化甲苯与合成气烷基化制对二甲苯

作为重要的有机化工原料,近些年来随着聚酯行业的高速发展,对二甲苯(PX)需求量逐年增高.目前,PX主要通过传统的石油路线生产,例如石脑油催化重整、甲苯歧化和C₈芳烃异构化,这些路线的后续精馏能耗较高.甲醇作为碳源与甲苯烷基化制备PX有效提高了目标产物的选择性,且已实现工业化.然而,由于甲醇生成甲氧基烷基化物种的能垒较高,使反应温度较高,促进了甲醇制烯烃(MTO)副反应的进行,降低了甲醇利用率;且由于积炭的形成,催化剂容易失活.合成气是非石油基资源如煤炭、天然气和生物质等利用的重要平台,在转化为醇类、烯烃以及芳烃路径中将经过甲氧基中间体,因此,本文研发以合成气代替甲醇与甲苯烷基化制备PX的催化剂和催化过程.基于本课题组关于CO₂加氢耦合甲苯烷基化制PX的研究基础,本文将ZnZrO_x(ZZO)与ZSM-5(Z5)混合制得双功能催化剂,用于合成气转化耦合甲苯烷基化制PX.研究结果表明,通过优化催化剂的组成和烷基化反应条件,调控CO加氢反应和甲苯烷基化反应的匹配性,在甲苯转化率为10.3%时,可获得64.8%的二甲苯选择性(不计水煤气变换反应),其中PX占81.8%,气态烃副产物的选择性为10.9%;在相同条件下采用甲醇为烷基化试剂时,二甲苯选择性仅38.5%,其中PX占38.8%,此时气态烃副产物的选择性达26.2%.同位素效应实验结果表明,二甲苯中新增甲基来自于合成气,而非甲苯的歧化反应.催化剂构效研究结果表明,PX的选择性与分子筛孔径、酸性强度以及Br?nsted酸性位点有关;原位红外结果也证实了该反应呈现逆同位素效应(k_H2/k_D2=0.92),表明反应中甲酸盐物种(HCOO*)加氢可能是反应的决速步骤.与传统的甲醇甲苯烷基化路径相比,采用来源广泛和成本较低的合成气与甲苯进行烷基化反应的温度(340℃)更低,有效避免了MTO副反应的发生,同时,该催化剂可在100 h内保持良好稳定性.综上,本工作结果为高效制备高值芳烃PX提供了新思路.     

Catalytic Performance and Coking Behavior of a Submicron HZSM‐5 Zeolite in Ethanol Dehydration

The catalytic performance and coking behavior of a submicron ZSM‐5 zeolite in dehydration of ethanol to ethylene were investigated by means of low temperature nitrogen adsorption, thermal gravimetric analysis, and nuclear magnetic resonance. The submicron catalyst showed higher activity than the micron one due to more mesopores and more strong acid sites. As the reaction temperature increased, ethanol conversion increased over the submicron catalyst, while ethylene selectivity went through a maximum. The selectivities of propylene and butylene increased with increasing reaction temperature, and they decreased with time on stream at constant temperature. The coke deposits can be divided into coke precursor and hard coke, which were attributed to polyalkylbenzene and polycyclic aromatic hydrocarbons, respectively; and increasing reaction temperature can accelerate the transformation of coke precursor into hard coke. A precoking pretreatment method was verified very effective for improving the catalyst stability.     

Dispersion and Orientation of Zeolite ZSM‐5 Crystallites within a Fluid Catalytic Cracking Catalyst Particle

Confocal fluorescence microscopy was employed to selectively visualize the dispersion and orientation of zeolite ZSM‐5 domains inside a single industrially applied fluid catalytic cracking (FCC) catalyst particle. Large ZSM‐5 crystals served as a model system together with the acid‐catalyzed fluorostyrene oligomerization reaction to study the interaction of plane‐polarized light with these anisotropic zeolite crystals. The distinction between zeolite and binder material, such as alumina, silica, and clay, within an individual FCC particle was achieved by utilizing the anisotropic nature of emitted fluorescence light arising from the entrapped fluorostyrene‐derived carbocations inside the zeolite channels. This characterization approach provides a non‐invasive way for post‐synthesis characterization of an individual FCC catalyst particle in which the size, distribution, orientation, and amount of zeolite ZSM‐5 aggregates can be determined. It was found that the amount of detected fluorescence light originating from the stained ZSM‐5 aggregates corresponds to about 15 wt %. Furthermore, a statistical analysis of the emitted fluorescence light indicated that a large number of the ZSM‐5 domains appeared in small sizes of about 0.015–0.25 μm², representing single zeolite crystallites or small aggregates thereof. This observation illustrated a fairly high degree of zeolite dispersion within the FCC binder material. However, the highest amount of crystalline material was aggregated into larger domains (ca. 1–5 μm²) with more or less similarly oriented zeolite crystallites. It is clear that this visualization approach may serve as a post‐synthesis quality control on the dispersion of zeolite ZSM‐5 crystallites within FCC particles.