酸预处理对于Fe-ZSM-5和Fe-beta分子筛催化消除N_2O的影响（英文）

作为六大温室气体之一,N_2O的增温潜能是CO_2的310倍,甲烷的21倍,目前仍然以0.80 ppb/年的速度增长,但是减排成本很低,因此对N_2O的消除具有重要意义.在工业中金属修饰的微孔分子筛因其优良的催化活性,高水热稳定性,低成本等优点而成为研究重点.但是微孔分子筛狭窄的微孔孔道限制了金属前驱体的进入,导致活性金属含量低,进而限制了活性的提高.因此采用一定的改性手段减小分子筛颗粒尺寸,缩短微孔孔道长度或者扩大微孔孔道来增加活性铁物种的含量进而提高分子筛催化活性.本文选用商用的ZSM-5和beta分子筛作为母板分子筛,按照3 g:50 mL比例将分子筛母板与1.0 mol/L的HNO_3在室温下混合,分别搅拌0,2和24 h,然后采用液相离子交换法负载金属铁制备得到Fe-ZSM-5和Fe-beta.通过X射线衍射、N_2物理吸吸脱附、电感耦合等离子原子发射光谱仪、扫描电镜、透射电镜、NH_3程序升温脱附及紫外漫反射(UV-vis)等手段对不同时间处理的分子筛的形貌、酸性和铁物种等物理化学性质进行表征.对两种催化剂催化消除N_2O的反应性能进行了测试.结果显示,温和的酸处理下分子筛脱除了部分Al,其中,ZSM-5分子筛的表现为由外向内逐层刻蚀,颗粒尺寸减小,孔道长度缩短,但是由于MFI型分子筛较高的稳定性,酸处理对分子筛孔道大小的改变并不明显,而对于beta分子筛,首先是其中大量无定形物种的去除,然后对孔道进行修饰,使之略微扩大,但是对颗粒尺寸的影响不大.ICP结果显示,商用ZSM-5和beta分子筛经过温和的酸处理改性后,Si/Al比增大,负载Fe的含量明显增加,各催化剂催化消除N_2O的活性也出现了不同程度的提高.Fe-ZSM-5和Fe-beta分子筛上N_2O完全转化温度分别向低温段移动了10–15和30°C.UV-vis谱图显示,分子筛中存在着不同种类的铁物种,通过分峰计算发现,孤立的Fe~(3+)铁离子和低聚态的Fe_x~(3+)Oy均是催化活性铁物种,其含量的增加部分也解释了活性提高的原因.     

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.     

Mn/beta与Mn/ZSM-5催化剂对氨选择性催化还原NO的低温催化活性比较: 锰前驱体的影响

氮氧化物(NOx)作为主要的大气污染物之一,给环境和人类带来一定危害,其主要源于汽车、轮船以及工厂中液态(汽油和柴油)或固态(煤)化石原料的燃烧.目前,选择性催化还原法(SCR)因技术相对成熟且经济有效,被广泛应用于氮氧化物脱除.催化剂是该技术的关键,而典型的商业钒系催化剂(V2O5-WO3/TiO2和V2O5-MoO3/TiO2)存在工作窗口温度窄(300–400 ℃)、V2O5的生物毒性以及较高的SO2氧化性能等缺点,因此开展高效且环境友好催化剂的研究工作迫在眉睫.近年来,锰基催化剂因其丰富的价态变化以及氧化形态而受到科研工作者的广泛关注.研究者已经对锰前驱体做了大量研究,但是关于不同锰前驱体制备得到的催化剂的活性物种组成以及催化活性往往存在着不同观点.因此进一步开展对锰前驱体研究仍有必要.同时,二氧化钛载体比表面积较小,并不是制备锰基催化剂的理想载体.分子筛载体因其比表面积大、特殊的孔道结构以及丰富的酸位等特点引起了研究者的关注.用于制备锰基催化剂的分子筛载体主要有ZSM-5,Beta,USY和SAPO等,其中ZSM-5系列催化剂是研究热点.另一方面,研究发现Beta分子筛具有良好的水热稳定性,被认为是理想的NH3-SCR催化剂载体.研究者对比了不同金属负载的Beta分子筛与ZSM-5分子筛的催化活性,结果表明,Fe/beta的催化活性高于Fe/ZSM-5和Fe/ZSM-11; Cu/beta的催化活性与Cu/ZSM-5相当,均表现出较高的活性.而关于Mn/ZSM-5的研究已有大量文献报道,但关于Mn/beta的研究相对较少.另外,关于不同锰前驱体在Beta以及ZSM-5分子筛载体表面的物化性质差异也少有报道.本文以H/beta和H/ZSM-5分子筛作为载体,采用硝酸锰、乙酸锰和氯化锰三种前驱体,通过湿法浸渍制备了Mn/beta和Mn/ZSM-5两类NH3-SCR催化剂,并在固定床管式反应器中对比评价了两类催化剂的催化活性.凭借氮气等温吸附/脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征,系统分析了不同前驱体在两种载体表面形成的活性组分以及理化性质对催化性能的影响.催化剂活性评价结果表明,对于Mn/beta和Mn/ZSM-5催化剂,在220–350 ℃反应温度区间内,乙酸锰和硝酸锰制备的催化剂NO脱除率均在80%以上.其中Mn/beta-Ac在240 °C时达到最高的NO脱除率97.5%,并且在220–350 ℃温度区间内保持着90%以上的活性,具有最宽的活性温度窗口.同时,在两系列锰基催化剂中,乙酸锰制备的催化剂均表现出最佳的催化活性,且对于同一种前驱体制备的催化剂,Mn/beta催化剂的NH3-SCR活性优于Mn/ZSM-5.BET数据显示,负载锰物种之后,催化剂的比表面积和孔体积均明显减小,但相对于Mn/ZSM-5催化剂,Mn/beta催化剂仍保持着优良的织构性质.XRD、XRF及H2-TPR结果表明,氯化锰前驱体主要产生少量的结晶Mn3O4并且大部分保持以MnCl2的形式存在,这也是此类催化剂表现出较差的低温催化活性的原因.结合XPS表征分析了催化剂的表面性质.结果表明,硝酸锰前驱体主要产生结晶MnO2和少量未分解的硝酸锰,乙酸锰前驱体主要产生高度分散的无定形MnO2和Mn2O3混合物以及结晶Mn3O4.进一步结合NH3-TPD分析结果以及活性评价结果可以得出: 丰富的无定形MnOx(MnO2和Mn2O3)物种、较高的表面锰含量和表面活性氧基团以及适当含量的弱酸位有利于提升催化剂的低温NH3-SCR催化活性.     

铁基分子筛活性位点的制备控制及对NH3-SCR活性的影响

采用离子交换法,通过不同制备条件制备Fe-beta分子筛,并探讨不同制备条件对催化剂活性位点和NH3-SCR活性的影响。通过UV-Vis分析,将不同位置的吸收峰归属于不同的铁活性位点,300nm以下的高能谱区可以归属于孤立的Fe3+位点,300nm-400nm间归属于低聚的FexOy簇,而400nm以上为Fe2O3大颗粒聚合物。对比不同催化剂的SCR活性发现,孤立的Fe3+和低聚态的Fe3+是主要的活性位点,这两种物种的所占比例高低直接影响了催化剂的活性。而大尺度的Fe2O3为非活性位点,因尽量控制并降低其所占比例。另外低聚态的Fe3+所占比例越高,N2O的生成量越高,N2的选择性越差。因此,在制备过程中,除了控制大尺度的Fe2O3的含量,同时要尽量降低低聚态的Fe3+的含量,以增加N2的选择性。采用离子交换法制备Fe-beta催化剂,pH、交换温度、前驱体种类、硅铝比、煅烧条件等制备条件会对Fe-beta的活性位点造成影响,从而导致活性差异。根据实际应用需求,调控制备条件,可有效控制活性物种的分布,制备具有高效NH3-SCR活性的铁基分子筛催化剂。     

Mn/beta与Mn/ZSM-5催化剂对氨选择性催化还原NO的低温催化活性比较:锰前驱体的影响（英文）

氮氧化物(NO_x)作为主要的大气污染物之一,给环境和人类带来一定危害,其主要源于汽车、轮船以及工厂中液态(汽油和柴油)或固态(煤)化石原料的燃烧.目前,选择性催化还原法(SCR)因技术相对成熟且经济有效,被广泛应用于氮氧化物脱除.催化剂是该技术的关键,而典型的商业钒系催化剂(V_2O_5-WO_3/TiO_2和V_2O_5-MoO_3/TiO_2)存在工作窗口温度窄(300–400 oC)、V_2O_5的生物毒性以及较高的SO_2氧化性能等缺点,因此开展高效且环境友好催化剂的研究工作迫在眉睫.近年来,锰基催化剂因其丰富的价态变化以及氧化形态而受到科研工作者的广泛关注.研究者已经对锰前驱体做了大量研究,但是关于不同锰前驱体制备得到的催化剂的活性物种组成以及催化活性往往存在着不同观点.因此进一步开展对锰前驱体研究仍有必要.同时,二氧化钛载体比表面积较小,并不是制备锰基催化剂的理想载体.分子筛载体因其比表面积大、特殊的孔道结构以及丰富的酸位等特点引起了研究者的关注.用于制备锰基催化剂的分子筛载体主要有ZSM-5,Beta,USY和SAPO等,其中ZSM-5系列催化剂是研究热点.另一方面,研究发现Beta分子筛具有良好的水热稳定性,被认为是理想的NH_3-SCR催化剂载体.研究者对比了不同金属负载的Beta分子筛与ZSM-5分子筛的催化活性,结果表明,Fe/beta的催化活性高于Fe/ZSM-5和Fe/ZSM-11;Cu/beta的催化活性与Cu/ZSM-5相当,均表现出较高的活性.而关于Mn/ZSM-5的研究已有大量文献报道,但关于Mn/beta的研究相对较少.另外,关于不同锰前驱体在Beta以及ZSM-5分子筛载体表面的物化性质差异也少有报道.本文以H/beta和H/ZSM-5分子筛作为载体,采用硝酸锰、乙酸锰和氯化锰三种前驱体,通过湿法浸渍制备了Mn/beta和Mn/ZSM-5两类NH_3-SCR催化剂,并在固定床管式反应器中对比评价了两类催化剂的催化活性.凭借氮气等温吸附/脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、氨气程序升温脱附(NH_3-TPD)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征,系统分析了不同前驱体在两种载体表面形成的活性组分以及理化性质对催化性能的影响.催化剂活性评价结果表明,对于Mn/beta和Mn/ZSM-5催化剂,在220–350°C反应温度区间内,乙酸锰和硝酸锰制备的催化剂NO脱除率均在80%以上.其中Mn/beta-Ac在240°C时达到最高的NO脱除率97.5%,并且在220–350°C温度区间内保持着90%以上的活性,具有最宽的活性温度窗口.同时,在两系列锰基催化剂中,乙酸锰制备的催化剂均表现出最佳的催化活性,且对于同一种前驱体制备的催化剂,Mn/beta催化剂的NH_3-SCR活性优于Mn/ZSM-5.BET数据显示,负载锰物种之后,催化剂的比表面积和孔体积均明显减小,但相对于Mn/ZSM-5催化剂,Mn/beta催化剂仍保持着优良的织构性质.XRD、XRF及H_2-TPR结果表明,氯化锰前驱体主要产生少量的结晶Mn_3O_4并且大部分保持以MnCl_2的形式存在,这也是此类催化剂表现出较差的低温催化活性的原因.结合XPS表征分析了催化剂的表面性质.结果表明,硝酸锰前驱体主要产生结晶MnO_2和少量未分解的硝酸锰,乙酸锰前驱体主要产生高度分散的无定形MnO_2和Mn_2O_3混合物以及结晶Mn_3O_4.进一步结合NH_3-TPD分析结果以及活性评价结果可以得出:丰富的无定形MnO_x(MnO_2和Mn_2O_3)物种、较高的表面锰含量和表面活性氧基团以及适当含量的弱酸位有利于提升催化剂的低温NH_3-SCR催化活性.     

短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成（英文）

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0.12cm³/g.电镜结果表明,其晶体结构特征...     

生物质衍生物γ-戊内酯催化转化制芳烃和2-环戊烯酮的研究

应用浸渍法在ZSM-5沸石分子筛孔道中引入过渡金属Zn物种,制备了具有不同Zn含量的Zn/ZSM-5。考察了反应温度、催化剂用量、催化剂的酸性性质等条件对γ-戊内酯芳构化产物组成(气、液、固产物)及其液体成分含量的影响。实验结果表明,ZSM-5分子筛孔道中引入Zn后,可以有效改变液体产物成分以及影响气体和固体产物收率。当ZSM-5分子筛孔道中引入Zn物种后,能够明显提高液体产物中苯、甲苯、乙苯、萘等芳香类化合物的含量,表明Zn物种能促进γ-戊内酯芳构化反应的进行。     

Zn物种对乙烯芳构化反应过程的影响（英文）

分别采用离子交换法和物理混合法制备了不同Zn含量的ZSM-5分子筛催化剂,采用X射线衍射、扫描电子显微镜、N2物理吸附、氨程序升温脱附、吡啶红外吸附光谱、紫外-可见光谱和X射线光电子能谱等技术研究了催化剂的结构、表面性质及Zn物种种类,探讨了Zn物种存在状态对乙烯芳构化反应的影响.结果表明,引入到HZSM-5中的Zn物种包括三种状态,即Zn O晶体、存在于分子筛孔道中的Zn O团簇以及Zn和分子筛质子酸中心通过固相反应生成的Zn(OH)+物种;不同的制备方法显著影响Zn物种的分布.比较了制备方法和Zn含量对ZSM-5分子筛催化剂在乙烯芳构化反应中性能的影响,发现Zn(OH)+物种是芳构化的主要活性中心,同时ZnO物种的存在有助于乙烯制芳烃反应的发生.     

Fe-ZSM-5 分子筛催化剂上N2O一步氧化苯制苯酚的积炭动力学

 采用等温固定床反应器和热重分析相结合的方法研究了 Fe-ZSM-5 分子筛上 N2O 一步氧化苯制苯酚的积炭行为, 考察了反应时间、温度和原料配比对积炭量的影响. 依据实验现象和积炭物组分分布的气相色谱-质谱分析结果, 提出了 Fe-ZSM-5 分子筛上 N2O 一步氧化苯制苯酚的积炭机理. 结果表明, Fe-ZSM-5 分子筛上的积炭物种主要来源于氧化产物苯酚的深度氧化, 属连串失活. 基于所提出的积炭机理和实验结果, 建立了 Fe-ZSM-5 分子筛催化剂的积炭动力学模型, 统计检验和残差分布检验表明, 所建模型与实验结果相容, 可靠性强.     

催化材料的紫外拉曼光谱研究

综述了在过去的几年中,我们研究组利用紫外拉曼以及共振拉曼光谱技术在含过渡金属的微孔和介孔材料中活性位结构的表征.分子筛合成机理以及氧化物表面相结构研究中取得的进展.微孔.介孔材料骨架中超低含量的孤立的过渡金属离子或氧化物包括TS-1,Ti-MCM-41,Fe-ZSM-5,Fe-SBA-15和V-MCM-41等能够通过紫外拉曼光谱可靠、准确地鉴别出来.利用紫外拉曼可避开荧光和增加灵敏度的特点,利用自行设计的可用于原位研究水热合成过程的原位紫外拉曼光谱池,对几种典型分子筛(X型分子和Fe-ZSM-5)的合成过程实现了拉曼光谱研究.结果表明,紫外拉曼光谱可以灵敏地检测出合成前体、中间物以及分子筛晶体的演化过程.此外.通过共振拉曼光谱研究了Fe/ZSM-5上的活性中心以及活性氧物种.结果表明,这种具有高活性的氧物种是一种双原子铁物种上的过氧离子,反应的中间物种类似于单加氧酶中的铁络合物.紫外拉曼光谱对氧化锆和氧化钛等氧化物的研究中发现,氧化物的表面与体相结构不同.这一发现对于催化材料的研究有着非常重要的意义,因为大多数的催化材料性质主要取决于它的表面结构.例如,在氧化钛体系中,将用紫外拉曼光谱鉴定出的表面物相信息与氧化钛光催化活性相关联,提出了"锐钛矿-金红石表面异相结增强光催化活性"的新概念.     

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%.     

Hierarchical Porous ZSM‐5 Zeolite Synthesized by in situ Zeolitization and Its Coke Deposition Resistance in Aromatization Reaction

Hierarchical ZSM‐5 zeolites with micro‐, meso‐ and macroporosity were prepared from diatomite zeolitization through a vapor‐phase transport process on solid surfaces. The aromatization performance of the catalysts was investigated on a fixed bed reactor by using FCC gasoline as feedstock. The crystal phase, morphology, pore structures, acidity and coke depositions of the hierarchical ZSM‐5 zeolites were characterized by means of X‐ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), N₂ adsorption/desorption, Fourier transform infrared (FT‐IR) and thermogravimetry‐mass spectrogram (TG‐MS), respectively. The results show that the prepared hierarchical ZSM‐5 zeolite possesses excellent porosity and high crystallinity, displaying an improved aromatization performance and carbon deposition resistance due to its meso‐ and macroporous structures.     

π‐Interactions between Cyclic Carbocations and Aromatics Cause Zeolite Deactivation in Methanol‐to‐Hydrocarbon Conversion

The understanding of catalyst deactivation represents one of the major challenges for the methanol‐to‐hydrocarbon (MTH) reaction over acidic zeolites. Here we report the critical role of intermolecular π‐interactions in catalyst deactivation in the MTH reaction on zeolites H‐SSZ‐13 and H‐ZSM‐5. π‐interaction‐induced spatial proximities between cyclopentenyl cations and aromatics in the confined channels and/or cages of zeolites are revealed by two‐dimensional solid‐state NMR spectroscopy. The formation of naphtalene as a precursor to coke species is favored due to the reaction of aromatics with the nearby cyclopentenyl cations and correlates with both acid density and zeolite topology.     

Hierarchical ZSM‐5 Zeolites in Shape‐Selective Xylene Isomerization: Role of Mesoporosity and Acid Site Speciation

The isomerization of o‐xylene, a prototypical example of shape‐selective catalysis by zeolites, was investigated on hierarchical porous ZSM‐5. Extensive intracrystalline mesoporosity in ZSM‐5 was introduced by controlled silicon leaching with NaOH. In addition to the development of secondary porosity, the treatment also induced substantial aluminum redistribution, increasing the density of Lewis acid sites located at the external surface of the crystals. However, the strength of the remaining Brønsted sites was not changed. The mesoporous zeolite displayed a higher o‐xylene conversion than its parent, owing to the reduced diffusion limitations. However, the selectivity to p‐xylene decreased, and fast deactivation due to coking occurred. This is mainly due to the deleterious effect of acidity at the substantially increased external surface and near the pore mouths. A consecutive mild HCl washing of the hierarchical zeolite proved effective to increase the p‐xylene selectivity and reduce the deactivation rate. The HCl‐washed hierarchical ZSM‐5 displayed an approximately twofold increase in p‐xylene yield compared to the purely microporous zeolite. The reaction was followed by operando infrared spectroscopy to simultaneously monitor the catalytic performance and the buildup of carbonaceous deposits on the surface. Our results show that the interplay between activity, selectivity, and stability in modified zeolites can be optimized by relatively simple post‐synthesis treatments, such as base leaching (introduction of mesoporosity) and acid washing (surface acidity modification).     

亚硝胺在沸石催化剂上的程序升温表面反应

 采用程序升温表面反应技术研究了二甲基亚硝胺,吡咯烷亚硝胺和环六亚甲基亚硝胺在NaY,NaZSM－5和HZSM－5等沸石及MCM－41中孔分子筛上的脱附及分解．结果表明,沸石对亚硝胺有独特的吸附和催化分解作用．同时,研究了沸石孔结构及表面酸性对亚硝胺分解反应的影响．     

热处理对HZSM-5结构、酸性及催化乙醇脱水反应性能的影响

对商用HZSM-5分子筛进行高温热处理,利用X射线衍射(XRD)、核磁共振波谱法(²⁷Al-MAS NMR)低温氮吸附、电感耦和等离子体放射光谱(ICP-AES)、氨-程序升温脱附(NH₃-TPD)和吡啶吸附傅里叶变换红外(FT-IR)光谱等技术对高温热处理改性前后样品进行了表征,并考察了高温热处理对分子筛的结构、酸性及催化乙醇脱水制乙烯反应性能的影响。结果表明,热处理改性后的HZSM-5分子筛发生骨架脱铝,B酸减少,L酸增多,孔容增大,出现新的介孔;适中的酸性位和复合型的介-微双孔道结构使其减少了反应中的副反应,乙烯的选择性得到提高,催化剂寿命显著提高。     

Disentangling Reaction Processes of Zeolites within Single‐Oriented Channels

Establishing structure–reactivity relationships for specific channel orientations of zeolites is vital to developing new, superior materials for various applications, including oil and gas conversion processes. Herein, a well‐defined model system was developed to build structure–reactivity relationships for specific zeolite‐channel orientations during various catalytic reaction processes, for example, the methanol‐ and ethanol‐to‐hydrocarbons (MTH and ETH) process as well as oligomerization reactions. The entrapped and effluent hydrocarbons from single‐oriented zeolite ZSM‐5 channels during the MTH process were monitored by using operando UV/Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and on‐line mass spectrometry (MS), respectively. The results reveal that the straight channels favor the formation of internal coke, promoting the aromatic cycle. Furthermore, the sinusoidal channels produce aromatics, (e.g., toluene) that further grow into larger polyaromatics (e.g., graphitic coke) leading to deactivation of the zeolites. This underscores the importance of careful engineering of materials to suppress coke formation and tune product distribution by rational control of the location of zeolite acid sites and crystallographic orientations.     

The porosity, acidity, and reactivity of dealuminated zeolite ZSM-5 at the single particle level: the influence of the zeolite architecture

A combination of atomic force microscopy (AFM), high‐resolution scanning electron microscopy (HR‐SEM), focused‐ion‐beam scanning electron microscopy (FIB‐SEM), X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), confocal fluorescence microscopy (CFM), and UV/Vis and synchrotron‐based IR microspectroscopy was used to investigate the dealumination processes of zeolite ZSM‐5 at the individual crystal level. It was shown that steaming has a significant impact on the porosity, acidity, and reactivity of the zeolite materials. The catalytic performance, tested by the styrene oligomerization and methanol‐to‐olefin reactions, led to the conclusion that mild steaming conditions resulted in greatly enhanced acidity and reactivity of dealuminated zeolite ZSM‐5. Interestingly, only residual surface mesoporosity was generated in the mildly steamed ZSM‐5 zeolite, leading to rapid crystal coloration and coking upon catalytic testing and indicating an enhanced deactivation of the zeolites. In contrast, harsh steaming conditions generated 5–50 nm mesopores, extensively improving the accessibility of the zeolites. However, severe dealumination decreased the strength of the Brønsted acid sites, causing a depletion of the overall acidity, which resulted in a major drop in catalytic activity.     

Hexane Cracking over Steamed Phosphated Zeolite H‐ZSM‐5: Promotional Effect on Catalyst Performance and Stability

The nature behind the promotional effect of phosphorus on the catalytic performance and hydrothermal stability of zeolite H‐ZSM‐5 has been studied using a combination of ²⁷Al and ³¹P MAS NMR spectroscopy, soft X‐ray absorption tomography and n‐hexane catalytic cracking, complemented with NH₃ temperature‐programmed desorption and N₂ physisorption. Phosphated H‐ZSM‐5 retains more acid sites and catalytic cracking activity after steam treatment than its non‐phosphated counterpart, while the selectivity towards propylene is improved. It was established that the stabilization effect is twofold. First, the local framework silico‐aluminophosphate (SAPO) interfaces, which form after phosphatation, are not affected by steam and hold aluminum atoms fixed in the zeolite lattice, preserving the pore structure of zeolite H‐ZSM‐5. Second, the four‐coordinate framework aluminum can be forced into a reversible sixfold coordination by phosphate. These species remain stationary in the framework under hydrothermal conditions as well. Removal of physically coordinated phosphate after steam‐treatment leads to an increase in the number of strong acid sites and increased catalytic activity. We propose that the improved selectivity towards propylene during catalytic cracking can be attributed to local SAPO interfaces located at channel intersections, where they act as impediments in the formation of bulky carbenium ions and therefore suppress the bimolecular cracking mechanism.     

Effect of weak base modification on ZSM‐5 catalyst for methanol to aromatics

The effect of weak base modification on the catalytic performance of ZSM‐5 catalyst for conversion of methanol to aromatics was investigated. The catalysts were characterized using X‐ray diffraction, X‐ray fluorescence, N₂ adsorption–desorption, NH₃ temperature‐programmed desorption, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and thermogravimetry. The results showed that catalysts treated with weak base (NaHCO₃, Na₂CO₃ and NH₃⋅H₂O) exhibited a pore structure with interconnected micropores and mesopores. The existence of mesopores was beneficial for improving the diffusion of reactants and products, and the coke deposition resistance capacity of treated catalysts was enhanced greatly. Meanwhile, compared to traditional ZSM‐5 zeolite, the ratio of Brønsted to Lewis (B/L) acid sites of ZSM‐5/NH₃⋅H₂O (B/L = 7.35) zeolite slightly increased but the amount of acid sites reduced, while those of ZSM‐5/NaHCO₃ (B/L = 0.127) and ZSM‐5/Na₂CO₃ (B/L = 0.107) significantly reduced. Further, the catalyst treated with NH₃⋅H₂O solution was evaluated in the methanol to aromatics reaction and led to an enhanced aromatization reaction rate. The liquid hydrocarbons product distribution exhibited higher aromatic hydrocarbons yield (56.12%) and selectivity (40.28%) of benzene, toluene and xylene (BTX) with isoparaffin content reducing to 26.17%, which could be explained by appropriate B/L acid sites ratio, higher pore volumes and higher surface area.