金属/分子筛催化剂的卤化氢处理对环己烯加氢转化的影响Ⅱ. Re/H-ZSM-5催化剂

用HCl或HF对Re/H-ZSM-5催化剂进行了后处理,并在50～400 ℃用连续流动反应器研究了催化剂对环己烯加氢转化反应的影响. 与HCl处理相比, HF处理显著提高了催化剂上环己烯加氢生成环己烷以及甲基环戊烯加氢生成甲基环戊烷的催化活性,这主要是因为HF处理催化剂具有较高的铼分散度、酸中心数及酸强度. Re/H-ZSM-5(HF)催化剂上最高的酸中心强度使其具有最高的加氢裂化活性及最低的环己烯脱氢生成环己二烯活性. 在未处理的Re/H-ZSM -5催化剂上,沉积在分子筛载体孔道和空穴中非骨架Al和Si的量最少,因而对生成芳烃的脱氢反应具有最高活性. 卤化氢处理催化剂上二甲苯异构体的相对产量表明: HF处理催化剂上 ,对二甲苯产量高于间二甲苯;HCl处理催化剂上,间二甲苯和对二甲苯产量基本相?在未处理的催化剂上,间二甲苯量产量比对二甲苯高. 此外,上述所有催化剂上的邻二甲苯产量均约等于对二甲苯与间二甲苯之和.     

H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯和甲醇甲基化的反应机理

对二甲苯是重要的石油化工产品之一, 可以通过甲苯甲基化生产. 本文采用“our own-N-layeredintegrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)结合的方法, 计算了H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯(DMC)和甲醇甲基化反应机理. 考察了反应物吸附和产物脱附. 描述了主要的中间物种和过渡态的结构. 用计算的速率常数来估计甲苯甲基化反应的动力学活性. H-ZSM-5 催化的甲苯与DMC和甲醇甲基化的机理不同. 甲苯和DMC甲基化包括DMC完全解离, 接着甲基化生成二甲苯异构体. 相比而言, 在甲苯甲基化反应中, 甲醇作为甲基化试剂的活性比DMC更好. 甲苯和甲醇甲基化的分步反应路径和联合反应路径的本征活化能相似. 在773 K, 分步反应路径的速率常数比联合反应路径更高. 在甲苯和这两种试剂甲基化的反应中, 生成对二甲苯为动力学优先, 而间二甲苯为能量最低产物. 我们的计算结果和实验观察到的现象一致.     

H-ZSM-5分子筛催化4-MBP与甲醇甲基化的反应机理

4,4?-二甲基联苯(4,4?-DMBP)是生产高性能聚合物材料的重要前驱体,可以通过4-甲基联苯(4-MBP)甲基化制得.本文采用“our own-N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)方法研究H-ZSM-5分子筛孔内4-MBP和甲醇择形甲基化的反应机理,考虑了分步和协同反应机理.分步机理的活化能低于协同机理.在两种反应机理中,4,4?-DMBP为动力学优先生成产物.过渡态择形的特征也使甲基化更容易生成4,4?-DMBP.在分子筛孔内,4-MBP 异构化生成3-甲基联苯(3-MBP)的反应被抑制.在分子筛外表面,4-MBP异构化生成3-MBP比甲基化反应更有动力学优势,导致4,4?-DMBP选择性降低.对外表面进行改性将会抑制4-MBP异构化反应,并使反应在分子筛孔内进行,因此可以提高4,4?-DMBP的选择性. H-ZSM-5催化择形和非择形反应的计算结果与实验现象一致.     

二甲苯在ZSM-5分子筛中的吸附与扩散

本文在298K-493K温度范围内,测定了二甲苯在ZSM-5分子筛中的吸附等温线和扩散系数。间二甲苯在HZSM-5分子筛中的吸附是需要较高活化能而为扩散控制的物理吸附,只有在较高温度下(>393K),才能进入分子筛的敛孔,其扩散系数比对二甲苯小三个数量级。对、间二甲苯在HZSM-5分子筛中的吸附量随温度升高而渐趋接近。但HZSM-5经镁改性后,间二甲苯吸附量大幅度下降,而对二甲苯吸附量变化不大,说明孔道结构因素对提高烷基苯转化的对位选择性起着相当重要的作用。增大分子筛的晶粒尺寸,二甲苯的扩散系数变化不大,表明大晶粒ZSM-5之所以能提高对位选择性,原因在于扩散路线的增长导致扩散较慢的间二甲苯异构化为扩散较快的对二甲苯。     

ZSM-5@Mesoporous Silica核壳复合结构分子筛的制备及其甲苯甲醇烷基化择形催化性能的研究

采用阳离子表面活性剂模板法在ZSM-5晶体颗粒表面外延生长介孔氧化硅壳层来调变其外表面酸性, 制备了具有高择形催化性能的介孔氧化硅包裹ZSM-5分子筛的微孔-介孔核壳结构复合材料ZSM-5@mesosilica. 扫描电镜和高分辨透射电镜表征显示, 具有无序孔道结构的介孔壳层均匀包覆于ZSM-5晶粒的外表面, 而且壳层的厚度在一定范围内可调变; 另外, 壳层介孔的孔道走向垂直于分子筛核, N₂吸附曲线表明复合材料的微孔和介孔具有互通性. 吡啶吸附和氨吸脱附实验结果证明这些分子可以自由扩散进入分子筛的微孔道, 并且介孔壳层包覆以后ZSM-5分子筛内的酸性位和强度基本没有变化. 用固定床评价了该复合分子筛对甲苯甲醇烷基化反应的催化性能, 结果表明, 与常规ZSM-5相比, ZSM-5@mesosilica核壳材料表现出了较高的对位选择性. 核壳材料独特的择形催化性能归因于介孔氧化硅壳层将ZSM-5非择形性的外表面酸性位部分覆盖, 从而抑制了对二甲苯在外表面的二级异构化反应.     

硼对HZSM-5分子筛酸性和择形性的影响

用不同含量的硼对HZSM-5分子筛进行改性,研究硼对HZSM-5酸性和对甲苯甲醇烷基化制对二甲苯反应的影响.通过XRD, SEM, N_2物理吸脱附, NH_3-TPD和Py-IR对催化剂进行表征,结果表明硼改性的催化剂仅有弱酸位,随着硼含量增加,弱酸位酸量和B/L增加,并且硼改性后在HZSM-5分子筛中产生新的弱B酸位.弱酸位有利于抑制二甲苯异构化反应和二甲苯进一步烷基化反应,提高对二甲苯选择性.实验结果表明随着弱酸酸量的增加,对二甲苯选择性增加,甲苯转化率减小.与HZSM-5相比, 1.7%B/HZSM-5催化剂弱酸酸量增加了226%,因此在1.7%B/HZSM-5催化剂上获得98.57%的对二甲苯选择性.     

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.     

碱金属化合物改性ZSM-5沸石的择形催化作用

经碱金属化合物改性的HZSM-5分子筛,能提高甲苯烷基化生成对二甲苯的选择性,降低二甲苯异构化活性。改性后沸石的表面总酸度下降,酸强度减弱,孔结构变化不明显。     

烃在HZSM-5沸石上的程序升温脱附

本文研究了烃在HZSM-5沸石上的程序升温脱附(TPD).正己烷、环己烷和苯的TPD谱只有一个陡峰,对和间二甲苯的TPD谱均呈现出双峰.实验测得脱附活化能的次序为:正己烷>对二甲苯>苯>环己烷.水汽处理对正己烷的TPD影响不大;但对二甲苯的TPD影响较大.随着吸附量的增大,二甲苯逐渐占据孔道深处的强活性位置.     

表面富硅型ZSM-5分子筛的甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃催化性能

通过表面化学改性制备表面富硅型ZSM-5分子筛,采用XRD、N2等温吸附-脱附、TEM、NH3-TPD和Py-FTIR等手段对其孔结构和酸性质进行了表征,考察其甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃反应的催化性能。结果表明,引入Zn使催化剂中一部分强酸转变为中强酸,并增加了具有脱氢作用的Zn-L酸中心,提高乙烯和丙烯的选择性;Mg改性不仅可以调节孔道的择形性,而且增加了L酸中心的数量,有利于PX的生成;不同硅源的多次硅沉积使得SiO_2可以更均匀地沉积在外表面,调变催化剂的酸性质和孔结构,从而进一步提高对二甲苯及乙烯和丙烯的选择性。最终,二甲苯中对位选择性可达到87.1%,二甲苯及乙烯和丙烯的选择性达到61%,乙烯在C_2烃类的选择性高达97.8%,丙烯在C_3烃类中选择性高达90.6%。     

HZSM-5,Co/ZSM-5及Ni/ZSM-5分子筛催化选择性研究(Ⅲ)——甲苯烷基化和间二甲苯异构化的量化处理

根据Kaeding等提出的以HZSM-5作催化剂的甲苯烷基化机理和Guisnet等提出的以HZSM-5作催化剂的间二甲苯异构化机理,用CNDO/2法计算了HZSM-5、Co/ZSM-5、Ni/ZSM-5通道中不同σ络合物的总能量,从理论上解释了HZSM-5和Co、Ni改性的ZSM-5催化剂提高对二甲苯选择性的原因。描述了HZSM-5通道及金属原子在催化反应中的作用。     

不同晶粒尺寸H-ZSM-5催化剂上甲醇芳构化反应性能

芳烃是一类重要的有机化工基础原料,通常采用传统的石油路线生产芳烃,包括催化裂化和催化重整等工艺.由于石油资源的紧缺,以可再生资源为原料生产芳烃工艺的发展具有十分重要的意义.甲醇作为一种重要的基础原料,可来源于煤、天然气和生物质等,因此,甲醇制芳烃工艺(MTA)的研究受到日益关注.ZSM-5分子筛具有较大的比表面积、可调节的酸性、优良的择形选择性和很高的水热稳定性,因而在甲醇芳构化中展现出良好的催化性能.研究发现,甲醇转化率和产物分布与ZSM-5分子筛的酸性和多孔性等密切相关.本文通过调控模板剂与水的比例和晶化时间,采用水热法制备了一系列不同晶粒度H-ZSM-5分子筛催化剂,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、N2物理吸附脱附(BET)和X射线荧光光谱等技术对所得分子筛的理化性质、骨架结构和形貌进行了表征;采用吡啶红外光谱和NH3程序升温脱附技术对其酸性进行了分析,使用热重(TG)技术对反应后催化剂的积碳含量进行了分析,并将所制备的H-ZSM-5分子筛催化剂分别应用于MTA反应,系统性地探究分子筛晶粒度对其理化性质和MTA催化性能的影响.XRD结果表明,所合成的五种样品均具有典型的ZSM-5分子筛特征衍射峰且无杂晶,且具有不同的晶粒度,分别为4.0±0.3,1.2±0.2 μm,614.1±31.9、391.9±32.4和99.1±7.0 nm.N2物理吸附脱附曲线可以发现,晶粒度为99.1±7.0 nm的ZSM-5分子筛展现出典型的Ⅰ型和Ⅳ型物理吸附曲线且在较高的相对压力(P/Po=0.8-1.0)处有一个明显的H4型迟滞环,表明此分子筛具有介孔和大孔结构;BJH吸附孔径分布图表明,这些介孔主要分布在2-7和20-50 nm范围内;同时各样品的比表面积和孔体积随着其晶粒度的减小而增大.结果还表明五种不同晶粒度的ZSM-5分子筛具有相似的SiO2/Al2O3摩尔比和酸性质.MTA反应结果表明,随着催化剂晶粒度的降低,甲醇的平均转化率,芳烃选择性和BTX选择性有所提高,在300 min时晶粒度较大的三个催化剂上,甲醇转化率迅速降至90％,而晶粒度较小的两个催化剂上,甲醇转化率始终维持在95％以上,其中晶粒度为99.1±7.0 nm的样品上芳烃选择性最高(平均42％以上),BTX选择性达37％.对失活催化剂积碳含量分析,随着催化剂晶粒度的降低,积碳量降低.晶粒度较低的纳米分子筛催化剂具有更短的孔道,更高效的扩散性能,更高的比表面积和独特的梯级孔结构,因而在甲醇芳构化反应中展现出更长的寿命,更高的活性和更低的积碳量,在甲醇制芳烃工业化生产中具有巨大潜力.     

分子筛孔结构和酸性对二甲苯异构化反应性能影响

我们成功合成了几种具有典型结构的分子筛,并考察了这些分子筛的孔结构、酸性以及在碳八芳烃异构化反应中的反应性能.结果表明,对于碳八芳烃异构化反应,孔结构和酸性起着重要作用,孔结构决定了反应的类型或方式,而酸性质与反应的活性和选择性密切相关,一个好的碳八芳烃异构化催化剂要同时具备适宜的孔道结构和酸性.     

Disproportionation of ethylbenzene in the presence of C8 aromatics

The selective synthesis of p-diethylbenzene (p-DEB) by disproportionation of ethylbenzene (EB) in the presence of aromatics like m-and p-xylene isomers has been studied over a pore size regulated HZSM-5 catalyst. The industrial feed having different compositions of ethylbenzene and xylene isomers was used for the experimentation. Hence, they were expected to hinder the movement of reactant molecules both on the external surface and within the zeolite channels. It was observed that irrespective of the different feed compositions the concentration of the xylene isomers was intact in the product. There is no other byproducts formation like para-ethylmethyl benzene. The effects of varying the concentration of aromatic compounds in the feed on ethylbenzene conversion and product distribution over the parent and modified H-ZSM-5 catalyst have been discussed. Ethylbenzene disproportionation reaction follows the pseudo first order reaction with an activation energy of 8.6 kcal/mol.     

Methanol-to-Olefin Conversion over Zeolite Catalysts: Active Intermediates and Deactivation

Methanol-to-olefin (MTO) conversion over various zeolites with different topologies, Si/Al molar ratios, and crystallite sizes were investigated to verify the effects of pore shape and size, acidity, and external surface area on the catalytic activity, product selectivity, and deactivation. The IR and electron spin resonance (ESR) study of zeolite catalysts used in MTO also proceeded to deduce the active intermediates formed in their cages or pores. The zeolites with 8 membered-ring (MR) pore entrances such as CHA, ERI, LTA, and UFI commonly exhibited high selectivity to lower olefins due to their small entrances, but the CHA catalyst with the smallest cage maintained its activity longer than other 8MR zeolites. The slow condensation of polymethylbenzene (PolyMB) to polyaromatic hydrocarbons (PAH) on MOR zeolite with a high Si/Al molar ratio due to its low concentration of strong acid sites resulted in a slow deactivation. The extremely small crystallites of H-SAPO-34 and H-ZSM-5 less than 100 nm showed an adverse effect in MTO; while the large crystallites above 1,000 nm also exhibited poor catalytic performance because of their small external surface. The study of IR regarding the adsorbed and occluded materials on zeolites demonstrated the effect of pore shape and size on the active intermediates: the zeolites with larger pores and cages allowed the formation of alkylbenzenes with long alkyl groups which preferred to be condensated to PAH. The well-resolved hyperfine splitting of ESR spectra observed on H-SAPO-34 used in MTO clearly illustrated the presence of hexamethylbenzenium radical cations. The small intersections of phosphorous-modified H-ZSM-5 allowed the formation of tetramethylbenzenium radical cations in MTO. The formation of PolyMB radical cations, their role as active intermediates and the effect of topology, acidity, and crystallite size of zeolites on their deactivation were discussed.     

Hierarchical ZSM‐5 Zeolites in Shape‐Selective Xylene Isomerization: Role of Mesoporosity and Acid Site Speciation

The isomerization of o‐xylene, a prototypical example of shape‐selective catalysis by zeolites, was investigated on hierarchical porous ZSM‐5. Extensive intracrystalline mesoporosity in ZSM‐5 was introduced by controlled silicon leaching with NaOH. In addition to the development of secondary porosity, the treatment also induced substantial aluminum redistribution, increasing the density of Lewis acid sites located at the external surface of the crystals. However, the strength of the remaining Brønsted sites was not changed. The mesoporous zeolite displayed a higher o‐xylene conversion than its parent, owing to the reduced diffusion limitations. However, the selectivity to p‐xylene decreased, and fast deactivation due to coking occurred. This is mainly due to the deleterious effect of acidity at the substantially increased external surface and near the pore mouths. A consecutive mild HCl washing of the hierarchical zeolite proved effective to increase the p‐xylene selectivity and reduce the deactivation rate. The HCl‐washed hierarchical ZSM‐5 displayed an approximately twofold increase in p‐xylene yield compared to the purely microporous zeolite. The reaction was followed by operando infrared spectroscopy to simultaneously monitor the catalytic performance and the buildup of carbonaceous deposits on the surface. Our results show that the interplay between activity, selectivity, and stability in modified zeolites can be optimized by relatively simple post‐synthesis treatments, such as base leaching (introduction of mesoporosity) and acid washing (surface acidity modification).     

Multiple-functional capsule catalysts: a tailor-made confined reaction environment for the direct synthesis of middle isoparaffins from syngas

A capsule catalyst for isoparaffin synthesis based on Fischer-Tropsch reaction was designed by coating a H-ZSM-5 membrane onto the surface of the pre-shaped Co/SiO(2) pellet. Morphological and chemical analysis showed that the capsule catalyst had a core-shell structure. A compact, integral shell of H-ZSM-5 crystallized firmly on the Co/SiO(2) substrate without crack. Syngas passed through the zeolite membrane to reach the Co/SiO(2) catalyst to be converted, and all hydrocarbons formed with straight chain structure must enter the zeolite channels to undergo hydrocracking as well as isomerization in this tailor-made confined reaction environment. A narrow, anti-Anderson-Schultz-Flory law product distribution was observed on these capsule catalysts. Contrary to a mechanical mixture of H-ZSM-5 and Co/SiO(2), C(10+) hydrocarbons were suppressed completely on this novel capsule catalyst, and the selectivity of middle isoparaffins was considerably improved. The carbon number distribution of the products depended on the thickness of the zeolite membrane, and it was possible to selectively synthesize specified distillates, such as gasoline-range, or heavier hydrocarbons from syngas directly, by simply adjusting the thickness of the zeolite membrane of the capsule catalyst. This kind of capsule catalysts can be extended to various consecutive reaction systems as the shell and core components are independent catalysts for different reactions. At the same time, shape selectivity and space-confined effects can be expected for the reactant, intermediates and product of the sequential reactions.     

含钛低聚物合成高结晶度的MIL-125显著提高二甲苯异构体吸附分离选择性

二甲苯作为石油化工行业中的基础原料,其应用价值很大且需求量逐年增加,因此二甲苯分离提纯的研究具有重要理论意义和工业应用价值.同时,二甲苯异构体分离被认为是改变世界的七大分离难题之一.金属有机骨架材料MIL-125是一种典型的含钛金属有机骨架材料,被广泛应用于光催化氧化和吸附分离中.目前传统金属有机骨架材料MIL-125的合成方法需要严格的无水操作环境以及无水级的超纯试剂.由于合成过程中钛源极易水解,很难控制其水解速率.本研究组提出了一种新的MIL-125的合成方法,该法引入了耐水解的含钛无机-有机杂化低聚物,并且可以稳定合成得到高结晶度且形貌规整的MIL-125.由于MIL-125材料本身在二甲苯异构体分离领域展现出的较大优势及潜力,将新方法合成的MIL-125进行了二甲苯分离性能评价,并对其选择性显著增强的原因和不同溶剂体系下分离性能的影响进行了探讨.为了考察新方法合成的MIL-125在液相中二甲苯的分离性能.在25℃的条件下进行了二甲苯异构体的单组分液相吸附实验.单组分等温吸附曲线结果表明,pX(对二甲苯)吸附量最多,其次是oX(间二甲苯)和mX(邻二甲苯),表明MIL-125吸附剂对pX的吸附能力最强,而对mX和oX的吸附能力相对较低.同时双组分竞争吸附实验得到pX/mX的竞争选择性高达13.6,pX/oX的选择性为8左右,这种选择性优于大多数对位选择性的多孔吸附剂材料.为了在更接近工业应用的条件下评估吸附剂的动态分离性能,在造粒后的MIL-125装填的吸附柱中进行了双组分等摩尔pX/mX穿透实验,穿透曲线显示了对pX和mX的理想分离效果,并再次证实该吸附剂对pX/mX具有较高的分离选择性.穿透实验后,用溶剂洗脱吸附柱,由于洗脱过程中mX的快速解吸,pX的纯度高达99.5％.在液相吸附实验和穿透实验中溶剂的选择会影响吸附剂骨架结构对二甲苯异构体分子的分离效果.因此本文通过实验和理论计算结合探讨了不同溶剂种类对MIL-125分离性能的影响.正庚烷和均三甲苯与二甲苯分子的微量热结果表明,二甲苯分子与均三甲苯的相互作用更弱,说明二甲苯分子与骨架的结合作用更强.使用DFT理论计算了不同溶剂体系下二甲苯分子与吸附剂间的相互作用能.在两种类型的溶剂中,pX与MIL-125骨架的相互作用能均低于mX,表明MIL-125更优先吸附pX.值得注意的是,当使用均三甲苯作为溶剂时,骨架与pX/mX之间相互作用能的差异更加明显,从而导致更明显的分离效果.由于规则的晶体形貌和高结晶度,改进方法合成的MIL-125比目前的对位选择性吸附剂具有更高的pX/mX选择性.进一步的量热实验和理论计算证实了不同类型的溶剂对于二甲苯吸附分离的影响.此外,该方法解决了钛源的易水解问题,并通过引入耐水解的含钛低聚物简化了MIL-125的合成条件,这将有助于进一步将MIL-125应用于二甲苯异构体的分离,同时也拓宽了其他新型含钛材料的应用领域.