ZSM-5分子筛酸位分布及其甲醇制烯烃催化性能的定向管理与调控

ZSM-5分子筛在甲醇制烯烃(MTO)过程中的催化性能和反应机理与其孔道中酸位点分布位置紧密相关. 本文证明在水热合成过程中加入适量的钠离子(Na⁺)可以增加ZSM-5分子筛交叉腔酸位点比例; 从而促进高级甲基苯的生成并加速芳烃循环, 有利于乙烯生成. 相反, 在合成过程中不添加钠离子, 所制备的ZSM-5分子筛直孔道和正弦孔道酸位点比例明显提高, 有利于促进烯烃循环并提高丙烯和C₃₊烯烃选择性.     

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.     

RUB-13分子筛的合成及其甲醇制烯烃催化性能

采用水热法合成RUB-13分子筛,探讨了有机模板剂(OSDA)、硅源、晶化温度和水硅比等制备条件对RUB-13分子筛晶体结构的影响,考察了RUB-13分子筛在甲醇制烯烃(MTO)反应中的催化性能。结果表明,采用1,2,2,6,6-五甲基哌啶(PMP)为有机模板剂、白炭黑为硅源,在晶化温度为170℃的条件下,选择H2O/Si比为100和80时可分别合成出高纯度的低硅铝比(Si/Al=100)和高硅铝比(Si/Al=200)的RUB-13分子筛晶体,且晶粒呈棒状形貌。H-Al-B-RUB-13(Si/Al=200)分子筛用于催化甲醇制烯烃反应时,在400℃下表现出高的低碳烯烃选择性(C2=-5选择性达97. 8%,丙烯选择性为54. 5%),优于传统的H-SAPO-34和H-ZSM-5分子筛催化剂。     

SSZ-33分子筛的合成、表征及其对汽车尾气中碳氢化合物的捕集性能

采用碘化N,N,N-三甲基-8-氨基-三环[5.2.1.02.6]癸烷为结构导向剂, 通过过程控制方法, 经3-4 d成功合成了高性价比的B-SSZ-33分子筛. 以B-SSZ-33为母体, 经过Al(NO3)3溶液后处理制得了Al-SSZ-33分子筛. 采用X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外(FT-IR)光谱, 扫描电子显微镜(SEM), 热重(TG)分析, 电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES), N2吸附/脱附, 27Al核磁共振(27Al NMR)和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等手段对合成的B-SSZ-33、Al-SSZ-33样品进行了物理化学性能表征. 并以甲苯作为汽车尾气中碳氢化合物的探针分子, 通过甲苯程序升温脱附测试来考察样品的碳氢捕集性能. 结果表明: 后处理过程中Al同晶取代B, 从而制得了含骨架Al的Al-SSZ-33; 在甲苯的程序升温脱附测试中, 由于Al-SSZ-33相对于B-SSZ-33具有较强的酸性位, 且表面孔口由于骨架外硅铝物种的修饰, 限制了甲苯的扩散, 致使脱附速率最大时的温度(Tmax)和脱附最终的温度(Tend)均升高, 从而形成了新型汽车尾气捕集催化剂的雏形.     

ZSM-5分子筛的粒径可控合成及其在甲醇转化中的催化作用

以四丙基氢氧化胺为模板剂、聚乙二醇为添加剂,水热合成了粒径在0.1～14 μm且分布均一的ZSM-5分子筛,并采用XRD、SEM、BET、Py-IR、NH₃-TPD和ICP等技术对其进行了表征,考察了不同粒径分子筛在甲醇转化制碳氢化合物反应中的催化作用。结果表明,通过调变PEG添加量、硅源种类和水含量以及控制陈化和晶化条件,可以在较大范围内调变分子筛晶粒尺寸。随着粒径的减小,ZSM-5晶粒的聚集程度、比表面积和Si/Al比提高,而结晶度、BrØnsted酸浓度和总酸量有所下降。在甲醇催化转化制碳氢化合物的反应中,粒径为0.1 μm的分子筛催化稳定性最好;随着粒径的增大,其稳定性逐渐下降,粒径为14 μm的分子筛催化剂寿命明显降低。同时,粒径对甲醇转化产物分布也有较大影响;小粒径分子筛有利于生成轻质烃类(C₁～C₄),而大粒径分子筛对C₅以上烷烃和芳烃的选择性较高。     

低浓度甲烷热氧化流向变换反应器的动态行为及余热回收研究（英文）

废弃煤矿的低体积分数甲烷(1%-3%)通常被直接排放到大气中,但其较高的升温潜势带来了严重的环境问题。在流向变换反应器中直接热氧化甲烷是一种有吸引力的解决方案,但潜在的爆炸和不稳定燃烧等风险限制了其应用。阐明低含量甲烷在流向变换反应器中热氧化的动力学行为是开发工业级反应器的基础。为此,采用数值模拟的方法分析了低含量甲烷热氧化流向变换反应器的自热操作边界,深入研究了热空气导出量对流向变换反应器行为的影响。结果显示,甲烷体积分数超过0.2%即可实现自热操作;甲烷体积分数从0.5%提升至3.0%,最高床温仍维持在1200℃左右。当甲烷体积分数超过0.5%,可以回收部分热量;相同甲烷含量条件下,最高床温随着热气抽出量的增加而增加;随着甲烷体积分数从0.5%提升到3.0%,允许导出的热空气从12.5%几乎线性地增加到32%。进一步研究发现,以30-50 s的时间间隔反向流动可以确保甲烷的完全转化和床温稳定。上述结果表明,甲烷体积分数在1%-3%时,采用热氧化处理可以实现余热回收;此外,通过调整换向时间和热空气导出量可以实现床层温度控制。     

程序升温脱附研究CoH-FBZ上NOx的吸附

富氧条件下具有FAU和BEA两种拓扑结构的CoH-FBZ选择催化CH4还原NO，显示出较CoH Y和CoH Beta机械混合催化剂更好的催化活性。应用吸附和程序升温脱附(TPD)方法研究了NO和NO+O2与催化剂表面间的相互作用。结果表明，载体的拓扑结构直接影响N、O物种在催化剂表面的稳定性。NO与O2在CoH-FBZ表面形成的吸附态 NOy及NO在CoH-FBZ表面形成的吸附态相对更稳定。CoH-FBZ的NO+O2-TPD脱附曲线在630K和660K形成两个NO2脱附峰，表明在CoH-FBZ表面形成了新的 NOy吸附中心，即可能有新的Co位产生，该新Co位与沸石催化剂CoH-FBZ中新强酸位协同作用，使CoH-FBZ表现出新的CH4-SCR催化特性。     

短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成

分子筛酸性位位于其亚纳米孔道中,赋予其独特的择型催化特性,在烃类催化转化中有重要应用.但传统分子筛的晶体尺寸通常在微米尺度,因此狭长的孔道结构使得分子与活性位的接触受到扩散限制.通过控制分子筛晶体生长习性,选择性暴露分子筛孔道开口晶面,截短分子筛孔道长度,可以有效解决扩散问题.例如通过控制ZSM-5分子筛沿b轴的生长,合成了具有单晶胞层厚度(2 nm)的二维片层状分子筛,有效的促进了分子扩散、大大提高了其在甲醇转化中的寿命.但这类ZSM-5分子筛的合成需要使用特殊的多头季铵盐模版剂,且一般SiO2/Al2O3比大于100,不利于其实际应用推广.本文开发了一种使用简单有机胺模版剂(TEDA)合成片状垂直交错结构ZSM-5的新方法,并采用电子显微分析对所制ZSM-5分子筛晶体生长方向进行了表征,测试了其催化甲醇制汽油反应性能.结果表明,所得ZSM-5具有良好的结晶性和典型微孔分子筛吸附特征,微孔表面积和微孔体积分别为251 m2/g和0.12 cm3/g.电镜结果表明,其晶体结构特征为:一簇平行子片垂直生长于一个母片上的交错结构,母片呈现异于常见六边形MFI的八边形结构,大小约3-5μm,子片大小约1-2μm,子片和母片的厚度均约为100-200 nm.母片平行于MFI晶体的(010)平面,因此母片表面暴露直孔道开口,且其直孔道长度约100-200 nm.子片与母片连接处的选区电子衍射(电子束沿[010]方向入射)与母片的选区电子衍射完全一致,子片垂直于[100]方向,且子片相互间以平行方式排列,这些证据均说明子片在母片上的生长方式很可能是外延生长,而非粒子堆积机理.因此,子片平行于MFI的(100)晶面,表面暴露之字形孔道开口,且之字形孔道长度约100-200 nm.进一步通过表征不同水热晶化时间的样品,研究了其可能的生长机制.结果表明,水热晶化72 h后,XRD图出现微弱的MFI晶体特征衍射峰,SEM显示有少量片状晶体生成,但无交错结构;晶化96 h后,XRD衍射峰增强,片状结构比例增加,且有交错结构出现;晶化120 h后,XRD呈现完美的MFI晶体衍射结构,SEM图显示均匀的交错片状结构.72和96 h的样品均为无定形物和片状(或交错片状)物共存,说明片状(或交错片状)结构的形成不是同步进行的;样品从开始结晶到完成结晶所需的时间较长,不同于分子筛结晶中常见的自催化结晶方式.我们推测,交错片状ZSM-5的形成发生在无定形物与溶液相界面处,遵循匀相成核机理.该方法得到的ZSM-5分子筛SiO2/Al2O3约为40,且固体核磁表明,ZSM-5中Al主要以骨架四配位形式存在,HZSM-5催化剂上四配位Al的比例高达95%以上,因此其骨架有丰富的酸性位.甲醇制汽油反应性能显示,在363oC,0.4 MPa条件下,甲醇转化量240 g时催化剂仍未失活,表现出典型纳米ZSM-5分子筛的高稳定性特征,这可能归结于片状ZSM-5具有短的(100-200 nm)直孔道或之字形孔道,可以有效促进反应物和产物的扩散,抑制积碳的生成.     

氮气热处理对硫代硫酸铵预硫化的Mo／Al2O3催化剂的影响

考察了氮气预处理温度对硫代硫酸铵预硫化的Mo/Al2O3催化剂噻吩加氢脱硫(HDS)活性的影响. 采用X射线衍射、高分辨电镜、光电子能谱、热重质谱和硫分析等方法对催化剂进行了表征. 结果表明,预硫化催化剂经80 ℃低温处理并于200 ℃氢气原位活化后噻吩转化率达到最高. 对于氮气低温预处理或常温干燥的预硫化催化剂,载体氧化铝被硫酸根修饰,减少了Mo与载体的相互作用,使得催化剂活化后硫化程度高, MoS2活性相呈多层的Ⅱ型结构,因而HDS活性高. 高于200 ℃的氮气热处理造成硫代硫酸铵的分解,并有少量的多层MoS2活性相生成,但高温热处理造成硫的流失使得活性金属活化后硫化程度偏低,而且MoS2活性相呈现单层的Ⅰ型结构,因而HDS活性较低.     

Preparation and characterization of manganese-containing silicates with ZSM-48 structure

报道了新型杂原子分子筛Ｍｎ－ＺＳＭ－４８的合成与表征。红外光谱和紫外漫反射光谱测试表明Ｍｎ（Ⅱ）离子进入了分子筛骨架。Ｍｎ（Ⅱ）同晶取代Ｓｉ（Ⅳ）导致产物晶粒的形貌和热性质有所不同。反应混合物中１,６－己二胺的含量,水含量和ＳｉＭｎ比对产物的晶化有很大影响。Ｍｎ－ＺＳＭ－４８作为ＣＯ加氢合成低碳烯烃的催化剂载体较Ｓｉ－ＺＳＭ－４８显示出很高的催化活性和明显的选择性