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《北京化工大学》 2009年
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具有规整孔道结构的蒙脱土柱撑杂化材料的制备及催化性能研究

毛辉麾  
【摘要】: 利用离子交换作用向层状蒙脱土矿物的层间引入金属或非金属化合物进行自组装,使本身具有二维层状结构的蒙脱土矿物转变为拥有三维孔道结构的多孔材料是当前层状材料的研究热点之一。柱撑粘土多孔材料以其特有的高比表面积,微孔-介孔复合结构以及较多的催化活性位在选择性吸附、催化、分离和药物缓释等方面有广泛的应用前景。 目前,制备粘土柱撑材料主要有离子交换和有机溶剂预溶胀两种方法。用离子交换法制备的柱撑粘土比表面积相对较低,且孔径分布不均,热稳定性不高。用预溶胀的方法制备的粘土柱撑材料虽然可以克服以上的缺陷,但是过程比较复杂,难以满足大规模生产的需要。针对柱撑类多孔材料存在的问题,本文应用离子交换、溶剂化、层间模板法、分子自组装等技术进行了天然蒙脱土层间多孔纳米粒子杂化材料的制备研究,运用粉末X射线衍射(XRD)、傅利叶变换红外光谱(FT-IR)、N_2等温吸附-脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、高倍透射电镜(HRTEM)、紫外-可见光谱(UV-vis)、氢气程序升温还原(TPR)等多种现代化测试手段,对蒙脱土杂化材料的层状结构,层间孔道结构和化学环境等性能进行了表征,研究了调控孔径分布及孔结构的方法,探讨了成孔机理,考察了样品对焦化蜡油和植物沥青催化裂解的催化性能。主要研究工作及取得的成果如下。 (1)制备了拥有规整层间二氧化硅介孔孔道结构的蒙脱土杂化材料。用十六烷基三甲基溴化铵作为层间模板剂制备蒙脱土杂化材料,产品拥有规整的孔道结构(3.9nm)和较高的比表面积(622m~2/g)。结果表明作为层间摸板剂的十六烷基三甲基溴化铵在蒙脱土层间以规整胶束的形式进行自组装排列,形成规整的孔道结构。 (2)用不同分子长度和带有不同官能团的表面活性剂作为层间模板剂研究了成孔机理,成功调节了层间孔道结构。层间孔道的孔径与所用的模板剂的分子长度成正比,模板剂的有机官能团能对蒙脱土杂化材料的介孔-微孔的分布起到调节的作用;不同的官能团对层间孔道结构影响也很明显,当使用带有苄基的模板剂时,形成的蒙脱土杂化材料比表面积高达1156m~2/g,而带有酯基的模板剂形成的蒙脱土杂化材料虽然孔径角大(4.3nm),但是比表面积只有400 m~2/g。 (3)用阳-阳离子混合表面活性剂和阴-阳离子混合表面活性剂作为模板剂合成了蒙脱土杂化材料,并研究了其成孔和孔道调节机理;蒙脱土杂化材料成孔机理与介孔分子筛相似,蒙脱土杂化材料的孔径随混合模板剂中拥有较长分子结构的表面活性剂比例的上升而增加,这进一步论证了蒙脱土杂化材料的形成原理与分子筛相似。用阴-阳离子混合表面活性剂作为模板剂合成的蒙脱土杂化材料比用阳离子表面活性剂单独制备的蒙脱土杂化材料具有更多的介孔分布。 (4)并在此基础上将镍和钴等过渡金属引入到了层间硅骨架结构内,研究了金属离子对层板和孔道结构的影响;由于层间硅骨架的非定型态结构,金属离子能顺利引入骨架结构,在骨架内主要以四面体构型存在。大量金属离子的引入会影响材料的层板和孔道结构,使层板有序性降低,比表面积下降。当添加的金属量与层间硅元素的摩尔比接近1/10时,蒙脱土杂化材料的比表面面积下降至300m~2/g左右。 (5)利用焦化蜡油和植物沥青催化裂解反应体系评价了蒙脱土杂化材料的催化性能。催化裂解控制在300℃,结果表明,杂化蒙脱土催化剂在此温度下对焦化蜡油的催化裂解转化率可以达到90%以上,且转化率与蒙脱土杂化材料的孔径存在线性关系,孔径越大,转化率越高,且对汽油组分的选择性可达71.2%,积碳量低于2%。其催化性能远高于MCM-41分子筛,与Al-MCM-41(Si/Al=30)相当。由于柱撑杂化蒙脱土层间形成的规整孔道结构属于纳米尺度范畴,所以具有类纳米分子筛催化剂的特征,其活性高,选择性好。另外,参杂金属镍的蒙脱土杂化材料对植物沥青的催化裂解有很高的催化活性,其转化率可达90.2%,远高于Ni-ZSM-5(12.7%)分子筛,与Ni-MCM-41相当(86.3%)。Ni-ZSM-5分子筛对的柴油选择性高于50%,对气态烃和汽油组分的选择性低于10%;Ni-MCM-41虽然对气态烃和汽油组分有较高的选择性(分别达到15.4%和39.7%),但是对积碳的选择性同样较高(高达30%)。参杂金属镍的蒙脱土杂化材料对气态烃和汽油组分的选择性分别高达31.1%和32.5%,而对积碳的选择性低于Ni-MCM-41。 上述研究结果表明,本文制备的蒙脱土杂化材料拥有高比表面积(400-1156m~2/g)和微孔-介孔复合孔道结构,且介孔孔径分布均匀。但是用不同分子结构的阳离子表面活性剂作为模板剂制备的蒙脱土杂化材料在孔道结构上存在着明显的差异。用带有酯基官能团的模板剂制备的蒙脱土杂化材料比表面积相对较低,但大部分的贡献来自介孔部分,且介孔孔径较大(4.3nm);而用带有苄基的模板剂制备的蒙脱土杂化材料,其介孔孔径也可以达到3.8nm,但其比表面积较大,可以达到1156m~2/g,这种大的比表面积主要来自孔径小于1.5nm的微孔部分。从总体上来看,蒙脱土杂化材料的介孔孔径随所使用的模板剂分子链长度的增加而增大,且所得到的蒙脱土杂化材料的层间净高度(3.5-4.5nm)接近模板剂分子长度的两倍,说明作为模板剂的表面活性剂在成孔的过程中起到了决定性作用。 研究表明,通过不同比例的阳离子混合模板剂的调节作用,可以对蒙脱土杂化材料的孔径进行调控。同样,在制备过程中加入少量的阴离子表面活性剂,使其与阳离子表面活性剂形成混合模板剂,可以降低胶束中阳离子表面活性剂之间的电荷斥力,使胶束排列更加紧密和均匀,能有效提高蒙脱土杂化材料孔道的均匀性,并可调节微孔-介孔的比例。这为制备具有一定孔径分布和比表面积及具有一定介-微孔组成的多孔蒙脱土杂化材料催化剂及吸附剂提供了实验基础。 实验发现,通过蒙脱土层间柱撑杂化,可以将较多的过渡金属离子引入到层间骨架结构中。当层间物中Si/Ni或Si/Co达到5/1时,杂化材料的孔道结构无明显变化,过渡金属离子(Ni或Co)在复合材料中主要是以Si-O-Ni或Si-O-Co结构存在。与传统的金属氧化物柱撑蒙脱土相比,具有比表面积高(300-600m~2/g)、孔径大(约3.8nm)、孔径分布均匀且催化活性高等优点。 研究认为,蒙脱土杂化材料拥有规整的层间介孔或介孔-微孔孔道结构,主要是因为表面活性剂在蒙脱土层间域微环境内形成了液晶或类液晶,产生了类似分子筛模板结构的管状胶束排列,正硅酸乙酯正是围绕这些胶束水解进而形成了规整的类分子筛介孔结构。蒙脱土的纳米级层间距也就决定了在其层间域形成的类柱撑结构具有纳米尺度,拥有纳米催化剂的特征,活性高,选择性好,且由于蒙脱土层板的限制作用,使得层间纳米粒子或纳米结构不易团聚,具有更好的热及水热稳定性。在催化剂领域具有广阔的应用前景及重要的学术价值。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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