高硅ZSM-5原粉的外表面改性及其在甲醇制丙烯反应中的应用

使用来源广泛的甲醇为原料制取丙烯, 是对石油路线生产丙烯的重要补充. 尽管以ZSM-5分子筛为催化剂的固定床甲醇制丙烯(MTP)技术已经实现了工业应用, 但进一步提高催化剂的寿命和丙烯的选择性一直是学术界和工业界的研究热点. MTP过程作为典型的酸催化反应, 积碳是催化剂失活的主要原因, 由于ZSM-5分子筛十元环孔道的空间限制作用, 积碳主要分布在外表面. 因此, 消除外表面的酸性位点对延长催化剂的寿命至关重要, 但修饰外表面酸性位点的同时往往会改变样品的其他性质, 如孔径、整体酸量等. 本文分别使用Na2H2EDTA和H3PO4处理高硅ZSM-5分子筛原粉(微孔内含有机模板剂)来选择性地减小或消除外表面的酸密度, 而不影响分子筛内部的性质, 并考察了处理后样品的MTP性能. 使用N2物理吸附、SEM和27Al MAS NMR表征样品的织构性质、形貌和Al原子的化学环境, XPS和三异丙苯裂解实验表征外表面的硅铝比和酸密度. 表征结果表明, Na2H2EDTA处理虽然可以选择性的脱除表面Al原子, 但会在外表面产生新的酸点(可能是硅巢). H3PO4处理虽然不能脱除表面的Al原子, 但外表面残留的P物种能够有效的减小酸密度. MTP评价结果表明, H3PO4处理能够有效的延长催化剂的寿命和维持丙烯的选择性, 这是因为H3PO4处理既提高了外表面的容碳能力, 也抑制了积碳沉积的速率. Na2H2EDTA处理仅能增加外表面的容碳能力, 所以其只能延长催化寿命. 通过进一步优化H3PO4后处理的条件, 处理后的ZSM-5样品的催化寿命可以延长至前体的1.5倍, 同时, 丙烯的选择性也略有提高, 并且在失活前维持增加的趋势.     

硼和氟掺杂ZSM-5分子筛的制备及其甲醇制丙烯反应性能（英文）

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、~(29)Si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Br?nsted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Br?nsted酸性有利于提高丙烯选择性和催化剂寿命;NH_4BF_4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。     

高硅ZSM-5沸石孔道和酸性的协同调控及其催化甲醇制丙烯反应性能

通过碱处理结合铬改性策略实现了对高硅 ZSM-5沸石孔道和酸性的协同调控, 制备出了一种具有适宜酸性的高硅多级孔沸石催化剂。在碱处理的过程中, 通过精细调节合成凝胶组成, 在沸石晶体中引入的丰富共生界面, 诱导了介孔的形成, 从而打破了沸石硅铝比对常规碱处理法的限制。在铬改性的过程中, 独特的多级孔结构促进了铬在催化剂中的分散, 从而实现了对酸性的深度改性。在甲醇制丙烯催化反应中, 制备的催化剂表现出了极佳的催化稳定性以及很高的丙烯和总低碳烯烃选择性。     

高硅ZSM-5沸石孔道和酸性的协同调控及其催化甲醇制丙烯反应性能

通过碱处理结合铬改性策略实现了对高硅ZSM-5沸石孔道和酸性的协同调控,制备出了一种具有适宜酸性的高硅多级孔沸石催化剂。在碱处理的过程中,通过精细调节合成凝胶组成,在沸石晶体中引入的丰富共生界面,诱导了介孔的形成,从而打破了沸石硅铝比对常规碱处理法的限制。在铬改性的过程中,独特的多级孔结构促进了铬在催化剂中的分散,从而实现了对酸性的深度改性。在甲醇制丙烯催化反应中,制备的催化剂表现出了极佳的催化稳定性以及很高的丙烯和总低碳烯烃选择性。     

NaOH改性ZSM-5分子筛在苯、甲醇烷基化反应中的应用

用NaOH溶液对高硅ZSM-5分子筛进行处理,考察其应用于苯-甲醇烷基化反应过程的最佳处理条件,并用XRD、SEM、XRF、NH3-TPD、TPO、BET等手段对试样进行表征。结果表明,NaOH在脱除分子筛硅物种的同时,也会脱出晶粒表面附着物,暴露出更多的酸性位,形成一定量的介孔,进而影响苯-甲醇烷基化性能。当NaOH处理量为2.4 mmol/gcat时,在液体积空速为85 h-1下,烷基化反应中苯的转化率达到38%,相比处理前提高了近16%,且积炭量低,稳定性好。     

多级孔ZSM-5分子筛的合成及其在甲醇脱水制二甲醚反应中的应用

以四丙基氨为微孔模版剂,阳离子高分子聚合物为介孔模版剂,合成了具有多级介孔的ZSM-5分子筛,并用于甲醇气相脱水合成二甲醚.结果表明,加入阳离子高分子聚合物后,合成的HZSM-5分子筛样品既保持了其MFI典型结构,又呈现了多级介孔特征;随着阳离子高分子聚合物模板剂加入量的增加,其多级介孔特征更为明显.具有多级介孔的HZSM-5分子筛表现出比常规微孔HZSM-5分子筛高的反应稳定性和二甲醚选择性,这主要是由于其织构和酸性的双重作用.     

ZSM-5沸石分子筛增产丙烯表面改性的研究进展

丙烯是极其重要的有机化工原料,其中用于聚丙烯占58%,用于丙烯腈、羰基合成醇、环氧丙烷和异丙苯分别占10%、8%、7%和6%左右.全球丙烯需求年均增长率为5.6%,而2007年之前乙烯需求年均增长率仅为4.6%[1～2].     

碱改性对ZSM-5分子筛的影响及甲醇制丙烯催化性能研究

在高浓度体系下,以粗孔硅胶和偏铝酸钠为原料,TPABr为模板剂,水热晶化法制备了ZSM-5分子筛,单釜产率23%.用不同浓度的氢氧化钠溶液对ZSM-5分子筛进行改性,采用XRD、FT-IR、SEM、NH_3-TPD、XRF、N_2物理吸附等方法对改性前后的样品进行了表征,并考察了改性后ZSM-5分子筛甲醇催化转化制丙烯(MTP)反应性能.结果表明,氢氧化钠改性未破坏分子筛的骨架结构,改性后样品的酸量、介孔孔容和BET比表面积均有增加,从而改善了催化剂的抗积碳性能和反应性能.在MTP反应中,增产丙烯的效果不明显,但表现出了更好的催化稳定性(催化剂使用寿命从85 h提升至110 h),并且有利于提高副产物汽油组分(∑C5+)的产量.     

双矿化剂对合成ZSM-5分子筛酸性和织构特征及其甲醇转化制丙烯催化性能的影响（英文）

采用静态水热法在F~--OH~-体系中,以四丙基氢氧化铵为模板剂、偏铝酸钠为铝源、正硅酸乙酯为硅源,合成了纳米SiO_2-ZSM-5分子筛,考察了F-/Al_2O_3物质的量比对所合成的ZSM-5分子筛织构性质和甲醇转化制丙烯催化性能的影响。结果发现,随着初始溶胶F~-/Al_2O_3物质的量比的增大,产物中SiO_2的含量增大,ZSM-5分子筛的相对结晶度有所降低;同时,分子筛的比表面积和孔容减小、酸强度降低、酸量减少。对于甲醇转化制丙烯,最佳F-/Al_2O_3物质的量比为12;此时,丙烯选择性高于45%,丙烯/乙烯(P/E)比值大于10。反应机理分析表明,过渡态择形选择性是控制烯烃选择性的重要因素。     

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。     

HF改性的Pt/ZSM-5催化剂在苯和甲醇烷基化反应中的应用

以HF改性的Pt/ZSM-5为催化剂,研究了其在苯和甲醇烷基化反应的应用,并用XRD、NH₃-TPD、BET等表征方法研究了改性前后催化剂酸性和孔结构变化。 结果表明,经HF改性后,Pt/ZSM-5催化剂的酸性增强、酸量增加,苯和甲醇烷基化反应性能明显提升。 3%HF-0.2%Pt/ZSM-5催化剂催化苯和甲醇烷基化反应时,甲苯和二甲苯选择性达到92.20%。 但是,HF负载量大于6%时,HF脱除的部分骨架硅和骨架铝会堆积在催化剂孔道内部,限制了反应物和产物的扩散,造成其催化性能下降。 通过计算得到了HF改性的Pt/ZSM-5催化剂上苯和甲醇烷基化反应的活化能为118 kJ/mol。     

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。     

高浓度体系小晶粒B改性ZSM-5分子筛的制备及甲醇制丙烯催化性能

在高浓度体系(n(H2O)∶n(Si O2)4)下,以粗孔硅胶和偏铝酸钠为原料,TPABr为模板剂,水热晶化法制备了小晶粒B改性ZSM-5分子筛,单釜产率达50%以上.采用XRD、FT-IR、SEM、NH3-TPD、XRF、N2物理吸附等方法对其结构进行了表征,评价了其在甲醇制丙烯(MTP)反应中的催化性能.结果表明,制备的小晶粒B改性ZSM-5分子筛粒度分布均匀,粒径约500 nm.在MTP反应中,B改性的样品比未改性样品含有更多的弱酸位,表现出更好的的活性、选择性和稳定性,其中n(Al2O3)∶n(B2O3)=1∶1的样品效果最好,甲醇转化率在95%以上运行476h,丙烯平均选择性46.32%.     

过渡金属改性的ZSM-5催化剂应用于甲硫醚转化制甲硫醇（英文）

负载过渡金属的ZSM-5催化剂用于催化甲硫醚(DMS)转化成甲硫醇(MT)的反应.实验结果表明,催化剂的甲硫醚转化率提高和甲硫醇选择性降低的趋势一样,都是以下顺序:Co/ZSM-5Mo/ZSM-5Ni/ZSM-5W/ZSM-5.表征结果表明,由于过渡金属阳离子(W6+、Ni2+、Co3+、Mo6+)比Al3+活泼,而改性过程中W6+、Ni2+、Co3+、Mo6+分别代替了部分Al3+,使得改性催化剂对DMS和MT的化学吸附作用更强.过渡金属的引入使得ZSM-5总酸度增强,提高了C―S键的裂解能力,从而改进了催化转化DMS的能力.研究结果发现,在转化DMS的过程中,金属活性位和酸性位之间通过强的协同效应起作用.     

ZSM-5的水热改性及其在合成气经二甲醚制汽油中的应用

对合成气经二甲醚制汽油两段等压反应系统中的ZSM-5分子筛催化剂进行原位水热处理,研究了不同温度下水蒸气处理ZSM-5分子筛的结构、表面酸性及催化反应性能。XRD、XRF、BET、NH₃-TPD 和 TPO等表征手段表明,水热处理温度为400℃时会使ZSM-5分子筛大部分非骨架铝脱除,酸中心数量减少,比表面积增加,提高了催化剂的活性及产物选择性。     

不同B,Al分布对ZSM-5分子筛的甲醇制丙烯反应性能的影响

本文设计了两个系列的硼改性ZSM-5分子筛:一步法合成的B-Al-ZSM-5系列分子筛和两步法合成的Al-ZSM-5@BZSM-5核壳分子筛。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜面扫(STEM mapping)、N——2物理吸附脱附、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、1,3,5-三异丙基苯(TIPB)裂解等表征发现,两个系列的样品中B1-Al-ZSM-5和Al@B1-ZSM-5,B2-Al-ZSM-5和Al@B2-ZSM-5以及B3-Al-ZSM-5和Al@B3-ZSM-5分别具有相似的织构性质、强弱酸量、酸强度和比例,以及不同的B、Al元素分布和酸分布。我们用这两个系列样品对比研究不同的强弱酸分布-强弱酸均匀分布和梯度分布对甲醇制丙烯(MTP)反应性能的影响。通过研究发现,强弱酸均匀分布的样品具有更高的丙烯选择性,归因于更低的整体强弱酸密度;而强弱酸梯度分布的样品具有更长的MTP反应寿命,归因于外表面上更低的强酸密度和更高的弱酸密度。     

纳米ZSM-22分子筛的水热合成及在甲醇转化反应中的性能（英文）

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0.45nm×0.55nm),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400r/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150–800nm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10–50r/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.     

新型分层ZSM-5沸石的合成及其在去除三氯乙烯中的应用（英文）

A self‐supporting ZSM‐5 monolith with a hierarchical porosity was prepared using polyurethane foam (PUF) as a structural template and a hydrothermal synthesis procedure. The synthesized monolith was characterized and investigated towards the adsorption and catalytic oxidation of trichloroethylene(TCE). Adsorption of TCE was studied gravimetrically and oxidation of TCE was studied using a vapor‐phase down‐flow reactor. Monolithic ZSM‐5 displayed good sorption proper‐ties and completely oxidized TCE. Conversion levels of 50% and 90% were achieved at reduced temperatures(by ~50 °C) when compared with the conversion temperatures obtained from the powder counterparts. Besides the activity of the monolith towards TCE adsorption and oxidation, it was stable and enhanced diffusion, thereby reducing pressure drops to a great extent owing to its hierarchical porous nature.     

高分散Fe-N-C氧还原反应电催化剂及其在直接甲醇燃料电池中的应用（英文）

氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等洁净发电装置中阴极的主要反应,该反应动力学过程慢,电化学极化严重.Pt基电催化剂具有较好的ORR活性,然而Pt资源有限、价格昂贵,研制高活性、低成本的代Pt电催化剂意义重大.经过几十年的探索,研究者发现将含有C,N和Fe等元素的前体进行高温热处理得到的Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的活性,然而在高温热解过程中Fe容易发生聚集而形成大块颗粒,导致Fe的利用率不高,影响了电催化剂的ORR活性.本文分别以聚吡咯和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为C和N的前驱体,利用高温热解形成的富含微孔的碳材料对铁前体的吸附及锚定作用,获得了一种Fe高度分散的Fe-N-C电催化剂.采用物理吸脱附技术、高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜对Fe-N-C及其制备过程中相关电催化剂的孔结构及表面形貌进行了表征.结果表明,在第一步热解过程中,EDTA-2Na的Na对碳材料起到了活化作用,形成富含微孔的N掺杂碳材料(N-C-1),其BET比表面积达到1227 m~2/g,孔径约1.1 nm.在第二步热解过程中,N-C-1有效地抑制了Fe的聚集,产物Fe-N-C中的Fe元素均匀地分布在碳材料中,其比表面积高达1501 m~2/g.电化学测试结果表明,在碱性介质(0.1 mol/L NaOH)中,Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的催化活性,ORR起始电位(E_o)为1.08 V(vs.RHE),半波电位(E_(1/2))0.88 V,电子转移数n接近4,H_2O_2产率3%,与商品20%Pt/C(Johnson Matthey)接近.电化学加速老化测试结果表明,Fe-N-C的E_(1/2)未发生明显变化,而Pt的负移45 mV,表明Fe-N-C具有很好的稳定性;在酸性介质(0.1 mol/L HClO_4)中,Fe-N-C的E_o为0.85 V,E_(1/2)为0.75 V,其E_(1/2)比Pt/C负移约0.15 V,表明在酸性介质中Fe-N-C对ORR的催化活性还有待提高.采用TEM、X射线衍射、X射线光电子能谱以及穆斯堡尔谱等方法研究了电催化剂构效关系.结果表明,Fe-N-C较好的ORR活性主要来自于高分散的Fe-N_4结构,此外,N(吡啶N和石墨N)掺杂的C也对反应具有一定的催化活性.与Pt/C相比,Fe-N-C电催化剂具有很好的耐甲醇性能.本文对比了Fe-N-C和Pt/C作为阴极催化剂的直接醇类燃料电池(DMFC)性能,采用质子交换膜的DMFC最大功率密度分别为47(Fe-N-C)和79 mW/cm~2(Pt/C),而采用碱性电解质膜的则分别为33(Fe-N-C)和8 mW/cm~2(Pt/C).结合半电池结果表明,Fe-N-C电催化剂在碱性介质中具有比Pt更为优秀的催化活性和稳定性,有望用作DMFC阴极代Pt催化剂.     

不同硅铝比ZSM-5分子筛作为助催化剂在渣油裂化中的应用（英文）

采用不同方法表征了硅铝比(Si O2/Al2O3)为33、266和487的质子型ZSM-5分子筛,并研究了ZSM-5分子筛作为助催化剂在渣油裂解中的应用.与USY分子筛基催化剂混合后,在固定流化床上,评价了ZSM-5分子筛助催化剂的催化裂化性能.研究发现,提高ZSM-5分子筛硅铝比,可以有效抑制混合催化剂对汽油烯烃的裂解,从而避免了汽油烷烃的大量损失.加入ZSM-5助催化剂后,伴随着液化气(LPG)产率的增加,异丁烷和异戊烷产率增加,这可能是由USY基催化剂和ZSM-5助催化剂的综合效应引起的.汽油烷烃和芳烃含量的变化,引起了汽油辛烷值的增加.高硅铝比ZSM-5分子筛(硅铝比为266和487)不仅可以显著改善汽油的辛烷值,而且有效避免了汽油的大量损失.催化汽油辛烷值的改善主要是由于高硅铝比ZSM-5分子筛具有适宜的芳构化和异构化活性,这些变化主要源于高硅铝比ZSM-5分子筛小的孔道直径和适宜的酸性.