杂原子介孔分子筛的合成、表征与催化性能

【摘要】：介孔分子筛由于具有独特的孔结构和大的比表面积,在多相催化、大分子的吸附,特别是石油化工行业具有潜在的应用价值。由于纯硅基介孔分子筛具有中性骨架、较差的热和水热稳定性、催化活性低以及弱的表面酸性等缺点,限制了其在吸附、催化及石油化工中的应用。将一些金属原子引入介孔分子筛的硅基骨架对其进行掺杂改性,可以改变其酸量、增加酸中心的数量。不同的金属原子引入介孔孔壁后,将赋予介孔分子筛不同的性能,因此,介孔分子筛的掺杂改性研究越来越受到人们的关注。 本文介绍了介孔分子筛的发现和历史,描述了介孔分子筛的结构特征,归纳总结了介孔分子筛的基本性能和主要合成方法,对介孔分子筛的合成、表征、掺杂改性、提高稳定性的途径以及应用等方面进行了论述。采用不同的方法进行了含Zr、Co、Ni、Fe和Ce介孔分子筛的制备,系统地考察了晶化温度、晶化时间及原料配比等因素对介孔分子筛结构性能的影响。通过X射线粉末衍射(XRD)、N2物理吸附、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、热分析(TG-DSC)、傅立叶变换红外光谱(FTIR). X射线光电子能谱(XPS)、固体核磁(29SiMAS-NMR)、NH3-程序升温脱附(NH3-TPD)等方法对所合成的含有杂原子介孔分子筛进行系统表征,并进行了催化性能的研究。 分别采用水热法和微波法合成出不同锆掺杂量的含锆MCM-41介孔分子筛。结果表明,随着锆掺杂量的增加、焙烧温度的升高、水热处理时间的延长,样品的比表面积和孔体积逐渐减小,介孔有序性下降。合成的Zr-MCM-41具有良好的热和水热稳定性,对所合成的样品进行750℃焙烧4h或100℃水热处理6d后,样品仍然具有介孔骨架。原料中n(ZrO2)/n(SiO2)小于0.3时,能够成功合成含锆介孔分子筛。与水热法相比,采用微波法合成的Zr-MCM-41介孔分子筛需要较短的晶化时间,并且具有节能、容易操作、均匀加热和环境友好等优点。 采用水热法,在添加氟离子的条件下,成功合成出长程有序的锆掺杂MCM-48介孔分子筛。结果表明,锆元素进入了MCM-48介孔分子筛的硅基骨架,晶化温度、晶化时间、n(F-)/n(Si)以及硅锆摩尔比等因素对Zr-MCM-48介孔分子筛的结构性能和结构规整性影响较大。适量添加NaF对立方相Zr-MCM-48介孔分子筛的形成有利,添加量过多会导致其介孔有序性下降。立方相Zr-MCM-48介孔分子筛的最佳合成条件为晶化温度120℃、晶化时间24h、n(F-)/n(Si)=O.1含锆介孔分子筛样品经800℃焙烧4h或100℃水热处理24h后仍然保持介孔骨架,显示出良好的热和水热稳定性。 分别用H2SO4溶液处理所合成的Zr-MCM-41和Zr-MCM-48,得到SO42-/Zr-MCM-41和SO42-/Zr-MCM-48固体酸催化剂。经H2SO4溶液处理后的样品仍具有MCM-4\ MCM-48介孔结构。样品的酸量分析结果表明,SO427Zr-MCM-48比SO427Zr-MCM-41具有更多的强酸中心。在相同反应条件下,由于MCM-48介孔分子筛的立方双螺旋结构,使SO42/Zr-MCM-48表现出了比SO42/r-MCM-41更高的苯酚转化率.和2,4-二叔丁基苯酚选择性。当n(醇)/n(酚)=2、空速为2h-1的反应条件下,在140℃时催化剂SO42/r-MCM-48苯酚转化率最高,达到了91.6%。 采用水热法和浸渍法分别制备了含有或负载Ni、Co和Fe的MCM-41介孔分子筛,以所制备的介孔分子筛为催化剂催化热解乙醇,制备出高质量的多壁纳米碳管。催化剂不同,制备纳米碳管的热解温度也不相同。负载Fe介孔分子筛合成纳米碳管的最佳热解温度为800℃,含Co或负载Co介孔分子筛合成纳米碳管的最佳热解温度为750℃,含Ni或负载Ni介孔分子筛合成纳米碳管的最佳热解温度为700℃。负载型介孔分子筛催化合成的纳米碳管无定型碳含量较多,纳米碳管的管径不均匀,直接合成的含有Ni和Co介孔分子筛催化热解乙醇所合成纳米碳管的质量较高。 采用微波法和在室温条件下合成出了不同铈含量的MCM-41介孔分子筛,经过550℃焙烧10 h模板剂被有效去除,样品中n(Si)/n(Ce)的不同影响样品的介孔有序性,随着铈含量增加样品的介孔有序性下降,比表面积和孔体积也下降,平均孔径增加。在相同原料配比下,微波法合成含铈介孔分子筛的铈含量高于室温下合成的样品,微波法合成样品的孔有序性比室温下合成的样品低。