碳化硅上生长Cu/SSZ-13分子筛及其NH_3-SCR催化性能（英文）

汽车尾气和柴油不完全燃烧所释放的NO_x严重污染了大气环境.为了降低对大气的污染,可将其催化还原成氮气.氨气选择性催化还原(NH_3-SCR)是使用较广泛的机动车高效脱硝技术.用于催化脱硝反应的催化剂有多种类型,分子筛具有特殊的孔道结构和骨架结构及高比表面积,因而已广泛用作脱硝反应催化剂.与传统三效催化剂相比,分子筛催化剂总体表现出更好的脱硝催化活性,但在高温下不稳定,容易失活,不耐热冲击,水热稳定性差.SiC具有耐酸碱、耐腐蚀、抗氧化、耐磨及良好的热稳定性和导电性,因此作为催化剂载体近年来引起广泛关注.但是其本身也存在许多缺点,如比表面积低、表面性质不活泼、不利于金属物种分散等.因此,本文通过原位水热法将SSZ-13生长在SiC表面,制备出新型催化复合材料SSZ-13@SiC.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和N_2吸附-脱附等手段研究了不同碱量和晶化时间对SSZ-13在SiC表面生长的影响,负载Cu后获得Cu/SSZ-13@SiC作为催化剂,研究了SiC对Cu/SSZ-13中高温下脱硝活性的影响规律.结果表明,碱含量会影响SSZ-13在Si C表面的结晶程度.当Si O2/Na OH≥0.1时,SSZ-13有杂相出现,并且结晶度都不高;当Si O2/Na OH0.1时,SiC表面会生长成纯相的SSZ-13晶粒且具有较高的结晶度.晶化时间也会影响SSZ-13在SiC表面的覆盖程度:反应1 d时,SiC表面会生长零星的SSZ-13晶粒;2 d时,SSZ-13达到全面覆盖;3 d后,SSZ-13在Si C上的生长达到饱和,其比表面积达到最大值,约为201.3 m~2/g.通过离子交换将不同含量Cu离子交换到分子筛表面,其中Cu(1.71)/SSZ-13@SiC样品具有最佳的脱硝活性,接近200°C时,NO转化率就达到90%以上,到高温500°C时,NO转化率仍能保持在70%以上.相比于未负载的Cu/SSZ-13,Cu/SSZ-13@SiC催化剂在NH3-SCR测试中具有更高的高温催化活性,同时催化活性窗口明显拓宽.上述结果说明SiC对Cu/SSZ-13的高温催化活性具有一定的提高和稳定作用.     

制备条件对Cu-SSZ-13分子筛的形貌及其氨选择性催化还原脱硝性能的影响

采用传统水热法合成SSZ-13分子筛,铜离子交换法制备Cu-SSZ-13分子筛催化剂,用于氨选择性催化还原(NH₃-SCR)脱硝,研究了有机模板剂(OSDA)用量、硅源、铝源、水硅比、硅铝比以及老化时间等制备参数对Cu-SSZ-13分子筛形貌、晶粒大小、酸性、Cu²⁺位点以及NH₃-SCR催化性能的影响。结果表明,在一定范围内,SSZ-13分子筛的硅铝比越高,其晶粒越大,所负载的活性铜含量越低,NH₃-SCR催化活性也越差。以硅溶胶为硅源、硫酸铝为铝源所合成的SSZ-13分子筛晶粒较小,结晶度最高,所得到的Cu-SSZ-13催化剂的NH₃-SCR活性也最好。较高的水硅比所合成的分子筛晶粒较大,而增加模板剂的用量有利于提高SSZ-13分子筛的结晶度,降低其晶粒尺寸。适当延长老化时间,能降低SSZ-13分子筛晶粒尺寸,提升Cu-SSZ-13的NH₃-SCR催化活性。其中,Si/Al比为10、硅溶胶为硅源、硫酸铝为铝源、OSDA/Si比为0.4、水硅比为88、老...     

小孔分子筛催化剂上氨选择性还原NO_x的研究进展

选择性催化还原(NH_3-SCR)NO_x是目前用于NO_x消除的主流技术.小孔分子筛催化剂(如Cu/SSZ-13 Cu/SAPO-34等)在NO_x的脱除中表现出良好的催化活性和水热稳定性,是环境催化领域研究的热点.本文重点总结和评述了几种不同过渡金属负载的小孔分子筛(特别是Cu分子筛)在NH_3-SCR脱除NO_x中的性能、影响因素以及NH_3-SCR的反应机理,并展望了小孔分子筛在NO_x脱除中未来的发展方向.     

利用适用于SAPO-34的有机结构导向剂合成SSZ-13分子筛

硅铝分子筛SSZ-13和硅磷铝分子筛SAPO-34已广泛应用于已商业化的催化应用中, 如甲醇制烯烃反应(MTO)和氨气选择性催化还原反应(NH₃-SCR). 目前, 已有多种商业化的有机结构导向剂(OSDA)可用于制备 SAPO-34, 而用于合成SSZ-13的OSDA仍主要依赖经典的N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵(TMAdaOH). 因此, 寻找具有较高性价比且可导向合成高硅铝比(SAR)SSZ-13的OSDAs具有重要意义. 本文使用3种可制备SAPO-34的OSDAs[二异丙胺(DIPA)、 二丙胺(DPA)、 正丁胺(nBA)]替代部分TMAdaOH, 发现即使不加入晶种也可合成出SSZ-13. 采用粉末X射线衍射(PXRD)和固体核磁共振(ss-NMR)分析方法对制备的SSZ-13进行了系统研究. 结果显示, 所合成的具有可调变SARs的SSZ-13负载Cu之后, 在NH₃-SCR性能上与商业化催化剂相当. 此外, 通过研究DIPA和TMAdaOH合成SSZ-13的晶化机理发现, DIPA的加入可以加快结晶过程、 提高产率并防止非晶相的形成. 本文提出的观点可为寻找更高效和商业化的SSZ-13结构导向剂及合成具有特定性质的SSZ-13提供参考.     

Fe-Beta分子筛催化剂在选择催化还原氮氧化物反应中的活性:Fe含量的影响

NOx是主要的大气污染物之一,对环境和人体健康具有极大的危害.其主要来源之一是柴油机尾气排放,V2O5-WO3/TiO2催化剂是现阶段大规模商用的SCR催化剂,但V2O5-WO3/TiO2催化剂相对较窄的温度窗口和V2O5的生物毒性使得迫切需要新型的环境友好的高效SCR催化剂,其中分子筛因其特殊的孔道结构和催化性能受到广泛的关注.用于SCR过程的分子筛主要包括ZSM-5,Beta,MOR,SAPO-34和SSZ-13等,通常采用Cu,Fe,Mn和Co等过渡金属对其进行改性,通过调变分子筛的表面酸性和氧化还原性能,提高催化剂的SCR活性.Beta分子筛具有三维12元环孔道结构,相对其它分子筛具有较好的水热稳定性,而且制备工艺成熟,价格低廉,因此该类分子筛催化剂在SCR过程中具有很好的应用前景.我们采用离子交换法制备了系列Fe-Beta催化剂,发现将相同质量硝酸铁溶解在不同体积去离子水中,配制成不同浓度的硝酸铁溶液后与分子筛进行离子交换反应,制备得到的Fe-Beta催化剂中Fe的含量和NH3-SCR催化活性均存在显著差别.在此基础上,我们固定硝酸铁溶液浓度(0.02mol/L),通过增加溶液的体积,分别制备了Fe含量为(2.6,6.3和9)wt%的Fe-Beta分子筛.结果表明,Fe负载量为6.3 wt%时,Fe-Beta催化剂表现出最好的催化活性,NOx转化率大于80%的温度窗口为202-616℃.虽然三个催化剂在比表面积,孔径和Fe的价态上没有明显的差别,但Fe含量为6.3 wt%的催化剂在保持相对较高的Fe负载量的同时具有更多的孤立Fe3+物种,同时具有较好的NH3和NO吸附性能以及NO氧化能力,这些特性使得该催化剂相对于其它两个催化剂表现出更高的NH3-SCR催化活性.当Fe含量增加到9 wt%时,催化剂中FexOy纳米颗粒的含量大幅增加,使得NH3非选择性氧化能力加强,从而导致高温NH3-SCR反应活性大幅下降.     

Fe-Beta分子筛催化剂在选择催化还原氮氧化物反应中的活性:Fe含量的影响（英文）

NO_x是主要的大气污染物之一,对环境和人体健康具有极大的危害.其主要来源之一是柴油机尾气排放,V_2O_5-WO_3/Ti O_2催化剂是现阶段大规模商用的SCR催化剂,但V_2O_5-WO_3/Ti O_2催化剂相对较窄的温度窗口和V_2O_5的生物毒性使得迫切需要新型的环境友好的高效SCR催化剂,其中分子筛因其特殊的孔道结构和催化性能受到广泛的关注.用于SCR过程的分子筛主要包括ZSM-5,Beta,MOR,SAPO-34和SSZ-13等,通常采用Cu,Fe,Mn和Co等过渡金属对其进行改性,通过调变分子筛的表面酸性和氧化还原性能,提高催化剂的SCR活性.Beta分子筛具有三维12元环孔道结构,相对其它分子筛具有较好的水热稳定性,而且制备工艺成熟,价格低廉,因此该类分子筛催化剂在SCR过程中具有很好的应用前景.我们采用离子交换法制备了系列Fe-Beta催化剂,发现将相同质量硝酸铁溶解在不同体积去离子水中,配制成不同浓度的硝酸铁溶液后与分子筛进行离子交换反应,制备得到的Fe-Beta催化剂中Fe的含量和NH_3-SCR催化活性均存在显著差别.在此基础上,我们固定硝酸铁溶液浓度(0.02mol/L),通过增加溶液的体积,分别制备了Fe含量为(2.6,6.3和9)wt%的Fe-Beta分子筛.结果表明,Fe负载量为6.3 wt%时,Fe-Beta催化剂表现出最好的催化活性,NO_x转化率大于80%的温度窗口为202–616°C.虽然三个催化剂在比表面积,孔径和Fe的价态上没有明显的差别,但Fe含量为6.3 wt%的催化剂在保持相对较高的Fe负载量的同时具有更多的孤立Fe~(3+)物种,同时具有较好的NH_3和NO吸附性能以及NO氧化能力,这些特性使得该催化剂相对于其它两个催化剂表现出更高的NH_3-SCR催化活性.当Fe含量增加到9 wt%时,催化剂中FexOy纳米颗粒的含量大幅增加,使得NH_3非选择性氧化能力加强,从而导致高温NH_3-SCR反应活性大幅下降.     

DFT计算结合固体NMR研究富铝SSZ-13的铝分布和Br?nsted酸性

具有菱沸石(CHA)结构的SSZ-13分子筛在甲醇制烯烃(MTO)及柴油机车尾气氨选择性催化还原(NH_3-SCR)反应中具有重要的应用,采用富铝SSZ-13可以调节MTO反应的烯烃选择性和提升NH_3-SCR的低温脱硝活性,因此SSZ-13中的铝含量和分布与对应的酸性决定了其催化性能。本文采用密度泛函理论结合固体核磁共振实验研究了富铝和富硅HSSZ-13的Al位置与Br?nsted酸强度的内在关系。通过计算取代能发现,对于孤立Al位,质子位于Al周围4个不同O位时能量差异较小,最稳定的B酸位点是O(1)―H。对于富铝SSZ-13,两个Al原子位于同一六元环的对位是Al-Si-Si-Al (NNNN)序列中最稳定的结构,而Al-Si-Al (NNN)序列中能量最优的Al分布是两个铝原子排布于六棱柱上下不同的六元环上。通过计算最稳定构型下的质子亲和势、NH3脱附能和吸附氘代乙腈后的1H NMR化学位移,发现富铝SSZ-13中含有Si(2Al)分布的NNN序列导致了其Br?nsted酸强度弱于高硅的分子筛。分峰拟合29Si魔角旋转核磁共振(MASNMR)谱图表明富铝SSZ-13中Si(2Al)的含量在43%以上,而吸附氘代乙腈后的1H MAS NMR实验显示富铝SSZ-13的桥羟基化学位移向低场移动,进一步证明富铝SSZ-13具有较弱的Br?nsted酸强度。     

使用四乙基氢氧化铵作为有机模板剂和常规硅铝源直接合成SSZ-13沸石分子筛

使用四乙基氢氧化铵作为有机模板剂,利用常规铝源和硅源而不需要高硅Y沸石作为起始原料,同时加入适量的沸石晶种直接合成了SSZ-13沸石分子筛.所合成的沸石产物结晶度好,具有良好的水热稳定性,并在氨选择性催化还原(NH₃-SCR)反应中显示出优异的催化性能,为其在工业上广泛应用提供了可能.     

SSZ-13分子筛膜的制备方法及其气体分离

SSZ-13分子筛具有CHA构型和3维八元环孔道结构,窗口尺寸约0.38 nm×0.38 nm。相比CH₄和N₂,SSZ-13分子筛对CO₂具有优先吸附选择性,适用于CO₂/CH₄、CO₂/N₂等体系的气体分离。SSZ-13分子筛膜的制备方法主要有原位晶化法、二次生长法、微波合成和分子筛转晶法等。高硅SSZ-13分子筛膜的疏水性随着硅铝比的增加而增加,膜层变得更加致密,缺陷减少,气体分离选择性增加。本文梳理了高硅SSZ-13分子筛膜的制备方法和气体分离的机理,分析了支撑体、合成条件、Si/Al比、测试条件和分离体系等因素对高硅SSZ-13分子筛膜气体分离的影响,展望了高硅SSZ-13分子筛膜今后的发展方向。     

Ni/SSZ-13催化剂的CO2甲烷化反应性能研究

采用浸渍法制备了Ni/SSZ-13催化剂,并研究了催化剂的CO2甲烷化反应性能.通过N2物理吸附-脱附、X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等表征分析方法对催化剂的质构特性及物理化学性质进行了研究.结果表明,Ni/SSZ-13催化剂在250℃开始表现出CO2甲烷化催化活性;在450℃,Ni/SS...     

由新型铜胺络合物模板剂设计合成活性优异的Cu-SSZ-13分子筛

以低廉的铜胺络合物为新型模板剂, 成功地合成了含铜的 SSZ-13 沸石分子筛 (Cu-ZJM-1). 在合成过程中, 铜胺络合物既是模板分子, 又是催化活性组分铜物种的直接来源. 理论计算表明, 该模板分子的构型与尺寸恰好与构成 SSZ-13 分子筛结构的 CHA 笼相匹配, 因而可以成功地导向该沸石分子筛结构. 采用 X 射线衍射、扫描电镜、氮气吸附、红外、紫外-可见吸收光谱、差热-热重分析、氨气程序升温脱附及氢气程序升温还原等手段对样品的性质及模板分子的状态进行了系统表征. 结果表明, 所制 Cu-ZJM-1 样品为结晶度很高的 SSZ-13 沸石结构, 硅铝比和铜负载量可调且铜处于高分散状态, 在 NH3 选择催化还原氮氧化物反应中表现出优异的催化性能.     

以四乙基氢氧化铵为模板并通过转晶法合成高硅铝比的SSZ⁃13沸石分子筛

使用四乙基氢氧化铵为有机模板剂,以低硅铝比(nSiO2/nAl2O3)的Y分子筛为铝源,通过转晶法制备结晶度良好的SSZ?13沸石分子筛。从凝胶配比方面考察了不同原料组成对分子筛合成的影响,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及电感耦合等离子体(ICP)表征水热反应过程中的物相、形貌、硅铝比等变化,揭示分子筛合成过程。氨选择性催化还原(NH3?SCR)反应显示该分子筛具有优异的催化活性,为其工业上的广泛应用提供了可能性。     

SSZ-39分子筛的合成及应用进展

近年来,小孔八元环SSZ-39分子筛因具有特殊的孔道结构和物理化学性质,在小分子择形催化反应中展现出相对优异的催化活性、抗积碳性和水热稳定性.本文概述了SSZ-39分子筛的合成历程,包括不同种类有机模板剂的使用、特定硅源铝源的选择以及凝胶组成的调控等;简要总结了SSZ-39分子筛在甲醇制低碳烯烃、氮氧化物的选择性催化还...     

建筑形象那些事

含铜的SSZ-39分子筛（AEI拓扑结构）在机动车尾气氨气选择性催化还原(NH3-SCR)反应中性能优异,其中SSZ-39分子筛的骨架铝分布与对应的Br?nsted酸性质对反应性能影响至关重要。本文通过密度泛函理论计算同时结合固体核磁共振谱学实验探究了高硅和富铝SSZ-39分子筛骨架Al位置以及与相应Br?nsted酸强度之间的关系。通过比较骨架Al在不同位置的替代能发现,高硅H-SSZ-39分子筛的骨架铝主要以孤立Al形式存在,同晶取代后落位在T3位上,其相应的Br?nsted酸质子与O7结合时最稳定。而富铝SSZ-39分子筛的骨架铝主要以NNNN与NNN序列的2Al形式存在,当两个骨架铝原子分别位于六元环和四元环对位的T3位上时体系能量最低,此时两个Br?nsted酸质子指向分子筛的超笼和八元环孔道。在最优构型下计算质子亲核势、NH3吸附态微观结构与脱附能以及吸附氘代乙腈后1H NMR化学位移来表征Br?nsted酸性,发现随着SSZ-39分子筛铝含量增加相应的Br?nsted酸含量增加,而Br?nsted酸强度趋于减弱。这些理论计算结果与NH3-TPD及吸附氘代乙腈的1H MAS NMR实验结果一致。本文为调控SSZ-39分子筛酸性以及合理设计高效催化剂提供了依据。     

Structure and synthesis of SSZ-63: toward an ordered form of zeolite beta

The synthesis, characterization, and structure elucidation of the borosilicate zeolite SSZ-63 are described. SSZ-63 is synthesized using the 1-cyclodecyl-1-methylpyrrolidinium cation as a structure-directing agent. The structural model for SSZ-63 was determined by comparison of its powder X-ray diffraction pattern with those of zeolite beta and its polytype structures. Whereas conventional zeolite beta may be described as a random intergrowth of polytypes A and B, SSZ-63 is more accurately described as a random intergrowth of polytypes B and C(H) (the hypothetical polytype C proposed by Higgins). Polytype C(H) is essentially an ordered intergrowth (of polytypes A and B) in which one of the crystallographic projections is equivalent to those in polytype A and another projection is equivalent to those in polytype B. Unlike zeolite beta, which possesses significant disorder related to layer shifts along both the a- and b-crystallographic axes, the structure of SSZ-63 has little disorder associated with the translations of layers in the a-direction. DIFFaX simulations of the powder diffraction patterns, electron diffraction, and high-resolution transmission electron microsocopy data all support the proposed model.     

Synthesis Optimization of SSZ-13 Zeolite Membranes by Dual Templates for N2/NO2 Separation

High-silica SSZ-13 zeolite membranes are promising in industrial separations of light gases and continuous membranes are highly demanded for better separation performances. Herein, pure-phase, continuous and thin SSZ-13 zeolite membranes were synthesized using dual templates of N,N,N-trimethtyl-1-adamantammonium hydroxide(TMAdaOH) and tetraethylammonium hydroxide(TEAOH). Systematical investigations of TMAdaOH/TEAOH ratios and their concentrations show that TMAdaOH acts as the main structure-directing agent in the formation of the SSZ-13 zeolite. TMAdaOH cooperatively plays with TEAOH in promoting the SSZ-13 crystal intergrowth to form a continuous polycrystalline membrane. Additionally, appropriate introduction of TEAOH is able to adjust the membrane thickness to the crystal-comparable size of ca. 2.0 μm. The SSZ-13 membranes are further applied for N₂/NO₂separation, which is firstly reported on zeolite membranes. The gas permeation results show that the SSZ-13 membrane synthesized by the dual-template approach exhibits selective separation of N₂ over NO₂ with N₂/NO₂ separation factor of 7.6 and N₂ permeance of 1.66×10^-8 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1.     

高硅SSZ-13分子筛膜二次水热生长过程

采用稀释模板剂合成溶胶在管状莫来石支撑体上制备高硅SSZ-13分子筛膜以研究膜的二次水热生长过程。对433 K下二次生长2~72 h的膜和底料进行表征,XRD表明膜和底料中的SSZ-13特征峰均在6 h后出现。底料中的晶粒尺寸基本不随晶化时间的延长而变化。在298 K和0.4 MPa测试条件下,433 K晶化72 h的SSZ-13分子筛膜CO₂渗透通量为2.08×10^-7 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,CO₂/CH₄理想选择性为24。探讨了SSZ-13分子筛膜的生长过程：涂覆在支撑体上的晶种首先溶解并形成大量有序的结构单元,诱导溶胶中晶粒形成并快速生长,晶粒沉积在支撑体的表面共生形成无缺陷的膜层。     

Low absorption vitreous carbon reactors for operando XAS: a case study on Cu/Zeolites for selective catalytic reduction of NO(x) by NH3

We describe the use of vitreous carbon as an improved reactor material for an operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) plug-flow reactor. These tubes significantly broaden the operating range for operando experiments. Using selective catalytic reduction (SCR) of NO(x) by NH(3) on Cu/Zeolites (SSZ-13, SAPO-34 and ZSM-5) as an example reaction, we illustrate the high-quality XAS data achievable with these reactors. The operando experiments showed that in Standard SCR conditions of 300 ppm NO, 300 ppm NH(3), 5% O(2), 5% H(2)O, 5% CO(2) and balance He at 200 °C, the Cu was a mixture of Cu(I) and Cu(II) oxidation states. XANES and EXAFS fitting found the percent of Cu(I) to be 15%, 45% and 65% for SSZ-13, SAPO-34 and ZSM-5, respectively. For Standard SCR, the catalytic rates per mole of Cu for Cu/SSZ-13 and Cu/SAPO-34 were about one third of the rate per mole of Cu on Cu/ZSM-5. Based on the apparent lack of correlation of rate with the presence of Cu(I), we propose that the reaction occurs via a redox cycle of Cu(I) and Cu(II). Cu(I) was not found in in situ SCR experiments on Cu/Zeolites under the same conditions, demonstrating a possible pitfall of in situ measurements. A Cu/SiO(2) catalyst, reduced in H(2) at 300 °C, was also used to demonstrate the reactor's operando capabilities using a bending magnet beamline. Analysis of the EXAFS data showed the Cu/SiO(2) catalyst to be in a partially reduced Cu metal-Cu(I) state. In addition to improvements in data quality, the reactors are superior in temperature, stability, strength and ease of use compared to previously proposed borosilicate glass, polyimide tubing, beryllium and capillary reactors. The solid carbon tubes are non-porous, machinable, can be operated at high pressure (tested at 25 bar), are inert, have high material purity and high X-ray transmittance.