特殊形貌类雪花状ZSM-5分子筛的合成、表征及甲醇制烯烃催化性能(英文)

美国Mobil公司于1972年首先开发的ZSM-5分子筛是一种高硅三维交叉孔道的沸石分子筛,其孔道结构具有良好的择形作用,因此被广泛应用于芳构化、异构化、烷基化和催化裂化等工业催化过程.ZSM-5分子筛的催化性能与其晶粒尺寸、酸性及形貌等密切相关.改变合成方法和制备参数可以合成出不同形貌的ZSM-5分子筛,但目前关于ZSM-5分子筛形貌对其物理化学性质和催化性能的影响报道较少.本文通过改变模板剂类型,采用水热合成法,制备出了类雪花状、椭圆柱状和夹心糖状三种不同形貌的ZSM-5分子筛.通过X射线荧光光谱(XRF)、N_2物理吸脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、固体核磁共振(MAS NMR)、NH_3程序升温脱附(NH_3-TPD)及吸附吡啶的红外光谱(Py-IR)等手段对不同形貌分子筛的物理化学性质、形貌、晶体骨架结构和酸性进行了表征.采用浸渍法制备了Ca/HZSM-5催化剂,以甲醇制烯烃(MTO)为探针反应、着重研究了ZSM-5分子筛形貌和晶体结构特性对其酸性和催化性能的影响.合成的三种不同形貌的ZSM-5分子筛具有相近的SiO_2/Al_2O_3比和比表面积.XRD结果表明,通过改变模板剂类型,可制得结晶度较好的ZSM-5分子筛,其中类雪花状分子筛的(101)晶面比例明显多于其它两种分子筛,而椭圆柱状分子筛则暴露更多的(020)晶面.~(27)Al MAS NMR结果表明,绝大部分Al都以四配位形式存在于三种分子筛骨架中,而类雪花状分子筛的峰强度较低,这是由于Al的配位环境不同(偶极作用弱),说明在类雪花状分子筛的交叉晶面中存在大量扭曲、错位和不对称结构;与其它两种分子筛相比,类雪花状分子筛的~(29)Si MAS NMR谱峰宽化、进一步证明该分子筛骨架结构中存在扭曲、错位和不对称性.NH_3-TPD结果表明,类雪花状HZSM-5分子筛的酸量明显高于其它两种分子筛,在SiO_2/Al_2O_3比相近的情况下、类雪花状HZSM-5分子筛晶体骨架结构的错位、扭曲和不对称性造成了该分子筛中酸量增加;但Py-IR结果表明,类雪花状HZSM-5分子筛的酸量低于其它两种分子筛,这与NH_3-TPD结果有差异,主要是由于类雪花状分子筛几何空间结构和晶界处的扭曲、错位对孔道结构的影响,不利于比NH_3分子大的吡啶分子的扩散,进而影响了吡啶分子在酸性位上的吸附.三种不同形貌的ZSM-5分子筛经Ca改性后比表面积和微孔比表面积均明显下降,其中类雪花状和椭圆柱状催化剂的微孔比表面积下降幅度较大,外比表面积下降幅度较小.这是因为各分子筛的晶体结构和晶面的取向差异,导致Ca离子在分子筛上的扩散行为不同.同时,经Ca改性后,三个催化剂的总酸量均有下降,尤其是类雪花状分子筛酸量下降较为明显,表明其中Ca离子更容易扩散到分子筛孔道内,与更多的酸性位作用,而夹心糖状分子筛表面具有更多的Z字形孔道,不利于Ca离子扩散到分子筛孔道内,因而酸量下降较少.Py-IR结果表明,Ca改性后催化剂的总酸量下降,尤其是B酸明显降低,L酸略有增加,其中类雪花状ZSM-5分子筛催化剂的B酸量最低.甲醇制烯烃反应评价结果表明,随着反应温度升高,三个催化剂的总烯选择性和丙烯选择性均呈先升高后降低的趋势.类雪花状ZSM-5分子筛催化剂在甲醇转化率相近时具有最高的烯烃选择性,在反应温度为460℃时,总烯烃选择性为72%,丙烯选择性达39%.     

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...     

十元环分子筛在甲醇芳构化反应中催化性能的研究

合成了ZSM-5、ZSM-22、EU-1、MCM-22和ITQ-13具有十元环孔道结构的5种分子筛,研究了分子筛结构、酸性分布等因素对其在甲醇芳构化反应中催化性能的影响。研究表明,不同结构分子筛的形貌、酸性及孔径均存在较大差异,进而影响了其在甲醇制芳烃反应中的催化活性和稳定性。研究的5种分子筛中,ZSM-5表现出最佳的芳构化活性,芳烃收率达34.8%,MCM-22芳烃收率约为21.9%,而其他3种结构的分子筛催化剂基本未表现出甲醇芳构化活性。通过添加具有芳构化性能的Ga物种对ZSM-5和MCM-22进行改性,可显著提升芳烃收率,Ga/ZSM-5上芳烃收率达到40.8%,Ga/MCM-22上芳烃收率可提高到27.1%。另外,采用TG/DTA、GC等方法研究了失活催化剂的积炭情况,发现分子筛结构对积炭量、积炭组成及积炭分布存在显著影响。     

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（英文）

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C_(3+)烯烃选择性.     

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.     

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

采用不同方法表征了硅铝比(SiO2/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。     

ZSM-22分子筛的合成、表征及烷基化性能研究

通过不同合成方法制备聚束状、粗棒状和细棒状ZSM-22分子筛,采用XRD、SEM、BET、MAS NMR、NH_3-TPD及PyFTIR等表征手段对分子筛的形貌、织构、硅铝配位环境及酸性进行研究。以甲苯-甲醇烷基化制备对二甲苯为探针反应,考察不同形貌ZSM-22分子筛催化剂的催化性能。结果表明,不同形貌ZSM-22分子筛的晶胞参数、织构、硅铝配位环境及酸性等存在明显差异。聚束状ZSM-22分子筛由于各束之间的相互作用导致Si(4Si)配位结构发生变化,Al原子的嵌入导致T3和T4比例较高、T2较少,并表现出更多的L酸中心。在380℃反应温度下,聚束状ZSM-22分子筛催化剂在甲苯-甲醇烷基化反应转化率为16.7%时,对二甲苯选择性达到76.1%。     

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.     

水蒸气处理对ZSM-5酸性及其催化丁烯裂解性能的影响

 考察了水蒸气处理温度和时间对ZSM-5分子筛酸性及其催化丁烯裂解性能的影响. 结果表明,通过水蒸气处理可降低ZSM-5分子筛的酸量和酸强度,明显提高产物中丙烯与乙烯的选择性和收率,抑制副产物芳烃和低碳烷烃的生成. 用柠檬酸脱除水蒸气处理过程中产生的非骨架铝,可提高ZSM-5分子筛孔道的容碳能力,从而提高催化剂的稳定性. 考察了反应条件对催化剂性能的影响,结果表明较佳的反应条件为WHSV=3.5～8.8 h-1,p=0.06～0.1 MPa,θ=600～620 ℃.     

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.     

ZSM-5分子筛的合成及其在丁烯催化裂解反应中的应用

采用水热合成法制备了无模板剂ZSM-5分子筛并用正硅酸甲酯(TMOS)对其进行外表面修饰改性,利用XRD、SEM、~(29)Si MAS NMR、~(27)Al MAS NMR、NH_3-TPD、BET和UV-vis DRS对合成分子筛的物相、形貌和酸性等进行了表征,并将其应用于催化丁烯裂解反应。研究表明,经水热合成的无模板剂ZSM-5结晶度较好,与添加模板剂合成的ZSM-5拥有相似的孔道结构和晶体结构以及相近的酸量,但在酸中心分布上有明显差异:孔道内酸中心数量增加且分布更加均匀,孔道交叉处酸中心数量减少;经过外表面修饰改性后,ZSM-5分子筛外表面部分不具备择形性的酸中心被钝化,使其择形选择能力增强。在催化丁烯裂解反应中,用TMOS进行外表面修饰改性的无模板剂ZSM-5分子筛作为催化剂能够有效抑制副反应的发生,丙烯和乙烯的总收率高达58%。     

Conformation and protonation of 2,2'-bipyridine and 4,4'-bipyridine in acidic aqueous media and acidic ZSM-5 zeolites: a Raman scattering study.

In situ FT-Raman scattering spectroscopy was used to monitor the sorption kinetics of 2,2'- and 4,4'-bipyridine in acidic ZSM-5 zeolites. The data processing of all the Raman spectra was applied to extract the characteristic Raman spectra of occluded species and respective Raman contribution generated from many spectral data which resolves spectrum of mixture into pure component spectra without any prior information. The assignment of the extracted spectra was performed according to careful comparison with corresponding spectra extracted from a set of Raman spectra recorded during the protonation of 2,2'- or 4,4'-bipyridine (bpy) in hydrochloric acid aqueous solutions. The data processing of the Raman spectra recorded during the slow sorption of 4,4'-bpy in acidic H(n)ZSM-5 (n = 3, 6) zeolites provides specific Raman spectrum of N,N'-diprotonated dication 4,4'-bpyH(2)(2+) as unique species generated in the void space of acidic ZSM-5 zeolites. No evidence of Lewis acid sites was found during the sorption of 4,4'-bpy by Raman scattering spectroscopy. The data processing of the Raman spectra recorded during the slow sorption of 2,2'-bpy in acidic H(n)ZSM-5 (n = 3, 6) zeolites provides specific Raman spectrum of trans-N-monoprotonated cation 2,2'-bpyH+ as major species generated in the void space of acidic ZSM-5 zeolites at loading corresponding to 1 mol per unit cell. The trans/cis interconversion occurs at higher loading even after the complete uptake of the sorbate and indicates some rearrangement in the void space over a long time. The cations were found to be located in straight channels in the vicinity of the intersection with the zigzag channel of the porous materials with the expected conformations deduced from ab initio calculations. However, the motions of occluded species within the channel of ZSM-5 are hindered but remain in the range of the isotropic limit of a liquid at room temperature.     

温度对沸石酸性的影响

用红外光谱研究温度对沸石酸性的影响,结果表明,温度使沸石表面酸性(酸强度)增强,酸性增强的规律是大孔道或大孔腔中的酸性羟基>表面硅醇基(或缺陷羟基)>小笼中的酸性羟基,在所研究的温度范围内(290～510K)酸性随温度的变化呈线性关系。     

不同类型含铁分子筛上N2O催化分解反应

采用固态离子交换法制备了一系列Fe/Al摩尔比为0.33的Fe/分子筛(ZSM-35,ZSM-5,beta和mordenite (丝光沸石))样品,并利用紫外-可见漫反射光谱、原位红外光谱和可见拉曼光谱以及瞬态应答实验考察了分子筛种类对N₂O分解反应性能的影响.研究表明,经高温处理(HT)后分子筛的催化活性顺序为 Fe/ZSM-35 > Fe/beta > Fe/ZSM-5 > Fe/mordenite,与骨架外铝稳定的双核铁物种含量一致.这说明双核铁物种是高温处理后Fe/分子筛样品中N₂O分解的活性位,而它的形成与分子筛种类密切相关.Fe/ZSM-35分子筛十元环孔道中相邻两个α位和八元环孔道中相邻两个β位都能稳定两个Fe(II)离子而形成能高效分解N₂O的双核铁活性中心.Fe/beta和Fe/ZSM-5分子筛中只有落在相邻两个β位上的两个Fe(II)离子才能形成参与N₂O分解的高活性的双铁活性中心.Fe/mordenite-HT分子筛上的铁物种绝大部分以孤立Fe离子的形式存在,因此其催化N₂O分解反应活性很低.     

Trimethylamine as a probe molecule to differentiate acid sites in Y-FAU zeolite: FTIR study

In heterogeneous catalysis acidity has a very important influence on activity and selectivity: correct determination of acidic properties is a base to improve industrial processes. The aim of this work was to study trimethylamine (TMA) as a probe molecule able to distinguish between the different Br?nsted acid sites in zeolitic frameworks. Our work mainly focused on faujasite-type zeolites because the HY zeolite is one of the most used acidic catalysts in industrial processes. In this paper, typical IR bands assigned to TMA-protonated species (formed in supercages) are detected in the HY zeolite. TMA interacting by hydrogen bonding with the acid sites located in the sodalite units is also observed. The wavenumbers of some typical IR bands assigned to TMA-protonated species appear to depend on the acidic strength, and a complementary study with ZSM-5 and X-FAU samples confirms this proposition.     

甲醇芳构化中催化剂酸性对脱烷基、烷基化和异构化反应的影响

在Zn/P/ZSM-5催化剂上研究了甲醇、二甲苯、甲苯和甲醇等不同进料下芳烃产品分布随反应积碳的变化, 发现催化剂积碳对芳构化反应、脱烷基反应和烷基化反应的影响不同. 在不同硅铝摩尔比(Si/Al 比)和Zn负载量的Zn/P/ZSM-5 催化剂上进行甲醇转化, 考察催化剂酸性位点强度、密度和类型与芳烃收率和产品分布之间的关系, 发现当强酸位点酸密度下降时, 脱烷基反应最先被抑制, 其次是芳构化反应和异构化反应, 而烷基化反应却不受影响. 在Si/Al 比为14, 3% (w) Zn 负载量的Zn/P/ZSM-5 催化剂上可得到75%左右的芳烃收率, 二甲苯收率在35%左右, 具有重要的工业应用前景.     

Dealuminated ZSM-5 Zeolite Catalyst for Ethylene Oligomerization to Liquid Fuels

Ethylene oligomerization using ZSM-5 zeolite was investigated to study the role of Bronsted acid sites in the formation of higher hydrocarbons. The oligomerization of olefins, dependent on the acidity of ZSM-5 zeolite, is an important step in the conversion of natural gas to liquid fuels. The framework Si/Al ratio reflects the number of potential acid sites and the acid strength of the ZSM-5 catalyst. ZSM-5 with the mole ratio SiO2/Al2O3 equal to 30 was dealuminated for different periods of time according to the acidic ion-exchange method to produce ZSM-5 with various Si/Al ratios. The FT-IR analysis revealed that the integrated framework aluminum band, non-framework aluminum band, and silanol groups areas of the ZSM-5 zeolites decreased after being dealuminated. The performance of the dealuminated zeolite was tested for ethylene oligomerization. The results demonstrated that the dealumination of ZSM-5 led to higher ethylene conversion, but the gasoline selectivity was reduced compared to the performance     

分子筛在乙醇脱水氨化反应中的一些催化行为

研究了常压、300～400℃温度范围内在分子筛作用下乙醇和氨的脱水胺化反应,用IR和TPD技术表征其表面酸性。发现分子筛窗口和孔道减小时,二乙胺和三乙胺生成量下降,氢型和碱金属阳离子交换的ZSM-5具有明显的择形作用。乙醇转化率与分子筛表面酸量有关。分子筛上的L酸中心可能是脱水氨化反应的主要活性中心。分子筛上的B酸中心似乎对副反应更有利。