密度泛函理论结合固体核磁共振谱学研究SSZ-39分子筛骨架铝分布与Br?nsted酸性关系

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(NH_3-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.我们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.通过比较骨架铝在不同位置的取代能发现,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、 NH_3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NH_3-TPD及吸附氘代乙腈的1H MASNMR实验结果一致,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.     

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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。     

密度泛函理论结合固体核磁共振谱学研究SSZ-39分子筛骨架铝分布与Br(o)nsted酸性关系

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(o)nsted酸性质对反应性能影响至关重要.我们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(o)ns...     

EU-1分子筛相邻酸性位的DFT计算和酸性表征

利用量子力学中的密度泛函理论(DFT),对EU-1分子筛中与T1、T2、T3、T6、T7、T8位相邻的骨架铝原子的落位稳定性及酸强度进行理论计算.通过计算得知,双Al原子在EU-1分子筛骨架中优先落位于Al7(Si6-Si7)Al8、Al1(Si2-Si2)Al1、Al2(Si1-Si2)Al2、Al1(Si2-Si2)Al3、Al1(Si2)Al3;根据(Al/Si,H)取代能确定了质子的落位,质子氢较易落位于(O12-H)Al1-(O12-H)Al1、(O12-H)Al1-Al1(O13-H)、(O12-H)Al1-Al1(O12-H)、(O14-H)Al2-(O14-H)Al2、Al2(O12-H)-(O14-H)Al2、Al1(O12-H)-(O15-H)Al3、(O26-H)Al7-Al8(O28-H);且根据质子亲和势分析知,EU-1分子筛骨架中质子氢落位于NNN位的Brnsted酸强度小于NNNN位.借助1H MAS NMR分析合成的不同硅铝比的样品,可知硅铝比低的EU-1分子筛Brnsted酸吸收峰的面积增加;由NH3-TPD可知硅铝比低的EU-1分子筛的强酸脱附峰温度降低,酸强度减小.硅铝比低的EU-1分子筛的强酸表现出酸量高、酸强度低的性质.     

H-MCM-22沸石分子筛中Brnsted/Lewis酸协同效应的~1H 和~(27)Al双量子魔角旋转固体核磁共振研究

采用各种固体核磁共振 (NMR) 技术详细研究了 H-MCM-22 分子筛中 Brnsted/Lewis 酸的协同效应. 二维 1H 双量子魔角旋转 (DQ-MAS) NMR 结果表明, 在脱铝 H-MCM-22 分子筛中 Brnsted 酸位 (骨架桥式羟基) 和 Lewis 酸位 (非骨架铝羟基) 之间是空间邻近的, 暗示着可能存在 B/L 酸协同效应. 二维 27Al DQ-MAS NMR 结果揭示了各种铝物种之间的空间邻近性, 表明 B/L 酸协同效应优先发生在 H-MCM-22 分子筛超笼中的骨架 T6 位铝和非骨架铝物种之间. 2-13C-丙酮探针分子实验发现, 因 B/L 酸协同效应而导致脱铝 H-MCM-22 分子筛酸性明显增强, 氘代吡啶探针分子实验也证实在 H-MCM-22 分子筛的超笼中发生了 B/L 酸协同效应. 上述结果将有助于我们理解在脱铝 H-MCM-22 分子筛上发生的多相催化机理.     

不同加铝方式对SAPO-34分子筛合成及MTO催化性能的影响

在水热合成体系中,以三乙胺(TEA)和四乙基氢氧化铵(TEAOH)为混合模板剂,考察了在初始凝胶形成过程中铝源的加入方式对合成SAPO-34分子筛及甲醇制烯烃(MTO)催化性能的影响;通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气等温吸附脱附(BET)、~(29)Si固体核磁(~(29)Si MAS NMR)、氨气程序升温脱附(NH_3-TPD)等方法对合成产物进行物性表征,并研究了其在甲醇转化制烯烃(MTO)反应中的催化性能。结果表明,随着首先加铝量的增加,粒径有逐渐变小的趋势,且逐渐出现板层状形貌的SAPO-34分子筛;同时,产物分子筛骨架中Si(4Al)配位结构的数量增加,强酸比例在逐渐增大,且酸密度增加;随着强酸比例和酸密度的提高,SAPO-34分子筛在MTO催化反应中的寿命逐渐延长,丙烯选择性逐渐增大而乙烯选择性逐渐减小。     

Beta分子筛中Al的分布和Brφnsted酸的酸性强度

基于量子化学中的密度泛函理论(DFT),研究了Beta分子筛中骨架Al在9个不同T位的分布和Br(o)nsted酸的分布及其强度.计算采用8T簇模型和B3LYP/6-31G(d,p)方法,得到了不同T位的Al/Si替代能、(Al,H)/Si替代能和质子亲和势,以及碱性探针分子NH3在Beta分子筛酸性位的吸附能.结果表明,骨架Al和Br(o)nsted酸优生位于Beta分子筛的T5和T6位;其中酸性最强的位置是Al5-O14-Si9,最弱的位置是Al7-O3-Si1.     

Beta分子筛中Al的分布和Brφnsted酸的酸性强度

基于量子化学中的密度泛函理论(DFT), 研究了Beta分子筛中骨架Al在9个不同T位的分布和Brφnsted酸的分布及其强度. 计算采用8T 簇模型和B3LYP/6-31G(d,p)方法, 得到了不同T位的Al/Si替代能、(Al, H)/Si替代能和质子亲和势, 以及碱性探针分子NH3在Beta分子筛酸性位的吸附能. 结果表明, 骨架Al和Brφnsted酸优生位于Beta分子筛的T5 和T6 位; 其中酸性最强的位置是Al5-O14-Si9, 最弱的位置是Al7-O3-Si1.     

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。     

IR. MAS NMR法研究富硅超稳镨氢Y沸石

制备了NH_4Y、USY、PrHY、USPrHY、F8Y及FSPrHY催化剂, 测定其组成和物性. 于红外光谱装置上比较了上述催化剂羟基峰的异同, 通过对吡啶的吸脱附测定了诸催化剂的酸强度. B 酸强度顺序为: FSPrHY>FSY>USPrHY>USY>PrHY>NH_4Y. ~(29)Sit MAS NMR谱表明, 在USPrHY 及FSPrHY 的Si(0Al)%甚多于PrHY 和NH_4Y中的Si(0Al)%. IR、~(29)Si MAS NMR及活性测试等结果说明: 沸石中0NNN铝位的存在, 是达到强酸性的必要条件. 高价稀土阳离子形成(?)及Pr(OH)~(2+)抵消了方钠石笼中AlO_4~-上的电荷, 增强了剩余铝位上羟基酸强度; 且从骨架羟基上吸引电子, 因而使质子酸性更强, 从而提高了裂解、岐化、脱烷基活性.     

镁改性对HZSM-5分子筛催化乙烯制丙烯的影响

采用等体积浸渍法制备了一系列不同Mg含量(0–1.0%)的HZSM-5分子筛。利用X射线衍射(XRD)、N_2吸附/脱附、铝魔角旋转固体核磁共振(~(27)AlMASNMR)、~(29)SiMASNMR、氨-程序升温脱附(NH_3-TPD)和吡啶吸附傅里叶变换红外(Pyridine-IR)光谱等技术对改性前后样品的结构和酸性进行了详细表征,在常压连续流动固定床反应器上考察其对乙烯转化制丙烯(ETP)反应的催化性能,评价了反应条件和Mg改性的影响。结果表明,在温度为550°C、乙烯体积空速GHSV=3000 h~(-1)的适宜反应条件下,0.5%适量镁改性HZSM-5导致乙烯转化率有所下降,但丙烯选择性增加到45%以上,而副产物芳烃的选择性降到8%以下。反应前样品的酸性表征和反应后积碳样品的TPO及~(13)CCP/MASNMR谱图分析表明适量镁改性使HZSM-5分子筛的总酸量和强B酸量减少而中强酸量增加,从而提高了丙烯的选择性,但是过量的镁改性使分子筛的总酸量明显减少,导致催化剂的活性显著下降。     

Direct Detection of Supramolecular Reaction Centers in the Methanol‐to‐Olefins Conversion over Zeolite H‐ZSM‐5 by 13C–27Al Solid‐State NMR Spectroscopy

Hydrocarbon‐pool chemistry is important in methanol to olefins (MTO) conversion on acidic zeolite catalysts. The hydrocarbon‐pool (HP) species, such as methylbenzenes and cyclic carbocations, confined in zeolite channels during the reaction are essential in determining the reaction pathway. Herein, we experimentally demonstrate the formation of supramolecular reaction centers composed of organic hydrocarbon species and the inorganic zeolite framework in H‐ZSM‐5 zeolite by advanced ¹³C–²⁷Al double‐resonance solid‐state NMR spectroscopy. Methylbenzenes and cyclic carbocations located near Brønsted acid/base sites form the supramolecular reaction centers in the zeolite channel. The internuclear spatial interaction/proximity between the ¹³C nuclei (associated with HP species) and the ²⁷Al nuclei (associated with Brønsted acid/base sites) determines the reactivity of the HP species. The closer the HP species are to the zeolite framework Al, the higher their reactivity in the MTO reaction.     

Probing the Brønsted Acidity of the External Surface of Faujasite-Type Zeolites

We outline two methodologies to selectively characterize the Brønsted acidity of the external surface of FAU-type zeolites by IR and NMR spectroscopy of adsorbed basic probe molecules. The challenge and goal are to develop reliable and quantitative IR and NMR methodologies to investigate the accessibility of acidic sites in the large pore FAU-type zeolite Y and its mesoporous derivatives often referred to as ultra-stable Y (USY). The accessibility of their Brønsted acid sites to probe molecules (n-alkylamines, n-alkylpyridines, n-alkylphosphine- and phenylphosphine-oxides) of different molecular sizes is quantitatively monitored either by IR or ³¹P NMR spectroscopy. It is now possible, for the first time to quantitatively discriminate between the Brønsted acidity located in the microporosity and on the external surface of large pore zeolites. For instance, the number of external acid sites on a Y (LZY-64) zeolite represents 2 % of its total acid sites while that of a USY (CBV760) represents 4 % while the latter has a much lower framework Si/Al ratio.     

金属负载型分子筛催化剂在NH3-SCR反应中水热稳定性的研究进展

NO_x控制是目前大气污染控制领域的重要研究内容，NH₃选择性催化还原技术（NH₃-SCR）是消除NO_x最有效的技术之一，其核心是高性能催化剂的开发。本研究综述了金属负载型分子筛催化剂（Cu基和Fe基分子筛催化剂）的NH₃-SCR活性、水热稳定性以及水热老化失活机制，并对影响催化剂水热稳定性的因素（包括Si/Al比、分子筛拓扑结构、活性金属负载量、粒径和合成方法等）进行了系统阐述，总结了一些有效提高催化剂水热稳定性的改性方法，比如磷改性、第二活性金属改性、碱金属改性和外表面改性等。最后，对进一步提高金属负载型分子筛催化剂在NH₃-SCR反应中的水热稳定性进行了展望。     

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.     

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.     

Sn-Al-β分子筛酸性在葡萄糖转化反应中作用的固体NMR研究

制备了一系列具有不同酸性质的β分子筛催化剂, 通过固体核磁共振(NMR)探针分子技术对其酸性质进行了表征, 并考察了其催化葡萄糖转化为乙酰丙酸甲酯的性能. 吸附三甲基磷的³¹P NMR实验结果表明, 含有骨架Sn以及Al原子的Sn-Al-β催化剂同时具有Br?nsted与Lewis酸性. 通过2-¹³C-丙酮探针分子区分出 3种酸强度的Br?nsted酸位, 其中一种酸强度接近“超强酸”, 可能是由于空间邻近的Br?nsted酸位和Lewis酸位发生协同作用产生的. 葡萄糖转化为乙酰丙酸甲酯的催化反应结果表明, 相比于分别只含有Lewis酸位和Br?nsted酸位的Sn-β和Al-β样品以及两者的物理混合样品, Sn-Al-β分子筛催化剂具有高催化活性与产物选择性, 这主要是由于Br?nsted酸位和Lewis酸位的协同作用产生了强Br?nsted酸位, 这种强Br?nsted酸位进一步导致了更高的催化活性.     

Synergistic effect of dealumination and ceria impregnation to the catalytic properties of MOR zeolite

MOR zeolite has been extensively employed as a catalyst in industries. However, high Brønsted acidity in MOR leads to rapid deactivation due to coke deposition on the pore mouths; thus, the surface acidity of MOR needs to be moderated. Herein, we report a modification of MOR chemical composition via acid treatment and deposition of ceria nanoparticles using a wet impregnation method. The acid treatment successfully increases the Si/Al ratio of MOR from 8.39 to 11.58 and reduces the total acid site concentration of MOR from 990 μmol/g to 752 μmol/g. The acidity of MOR is decreased when the Si/Al ratio is increased since the quantity of Brønsted acid sites is proportional to the number of Al framework. In addition, the acid treatment also improves the external surface area of MOR. Furthermore, ceria particles were successfully deposited on the MOR surface using wet impregnation method. The ceria content of parent MOR sample is lower compared to that of preceded by the acid treatment, which may be attributed to the formation of more terminal silanol groups. Finally, catalytic test on Friedel–Crafts alkylation of toluene with benzyl alcohol shows that the synergy between dealumination and the impregnation of ceria significantly improves the activity of MOR zeolite.     

Cu-SSZ-13/堇青石整体式催化剂的原位合成及其NH3选择性催化还原NO性能

采用水热合成技术, 在堇青石蜂窝陶瓷载体上原位合成了SSZ-13分子筛, 并借助X射线衍射(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)等手段对其进行表征. 在此基础上, 研究了合成时间对催化剂结构和机械性能的影响. 另外, 使用固定床反应器测试了离子交换度为50%的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂和Cu-SSZ-13催化剂水热老化前后的氨气选择性催化还原(NH₃-SCR) NO性能. 结果表明, 通过原位合成法制备的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂在200-500 ℃ 的窗口温度内能达到80%以上的转化率, 并在300 ℃ 时达到96.4%的转化率. 在850 ℃水热老化12 h后, Cu-SSZ-13催化剂完全丧失了催化性能, 而Cu-SSZ-13/堇青石催化剂在300 ℃时仍然保持91%的转化率. 使用XRD和固体27Al 核磁共振(²⁷Al NMR)的方法, 研究了水热老化前后两种催化剂结构的变化, 结果表明, 当水热老化12 h 后, Cu-SSZ-13 基本丧失了SSZ-13 结构特征峰, 而Cu-SSZ-13/堇青石仍然保持了一定的SSZ-13 骨架结构. 证明了通过原位合成法制备的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂具有较好的抗水热老化性能.