短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成

展恩胜 熊志平 周燕 李名润 王鹏飞 樊卫斌 申文杰

引用本文: 展恩胜,  熊志平,  周燕,  李名润,  王鹏飞,  樊卫斌,  申文杰. 短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成[J]. 催化学报, 2020, 41(7): 1132-1139. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63573-2 shu
Citation:  Ensheng Zhan,  Zhiping Xiong,  Yan Zhou,  Mingrun Li,  Pengfei Wang,  Weibin Fan,  Wenjie Shen. Perpendicular intergrowth ZSM-5 plates with shortened 10-MR pores[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(7): 1132-1139. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63573-2 shu

短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21773229).

摘要: 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,其晶体结构特征为:一簇平行子片垂直生长于一个母片上的交错结构,母片呈现异于常见六边形MFI的八边形结构,大小约3-5 μm,子片大小约1-2 μm,子片和母片的厚度均约为100-200 nm.母片平行于MFI晶体的(010)平面,因此母片表面暴露直孔道开口,且其直孔道长度约100-200 nm.子片与母片连接处的选区电子衍射(电子束沿[010]方向入射)与母片的选区电子衍射完全一致,子片垂直于[100]方向,且子片相互间以平行方式排列,这些证据均说明子片在母片上的生长方式很可能是外延生长,而非粒子堆积机理.因此,子片平行于MFI的(100)晶面,表面暴露之字形孔道开口,且之字形孔道长度约100-200 nm.
进一步通过表征不同水热晶化时间的样品,研究了其可能的生长机制.结果表明,水热晶化72 h后,XRD图出现微弱的MFI晶体特征衍射峰,SEM显示有少量片状晶体生成,但无交错结构;晶化96 h后,XRD衍射峰增强,片状结构比例增加,且有交错结构出现;晶化120 h后,XRD呈现完美的MFI晶体衍射结构,SEM图显示均匀的交错片状结构.72和96 h的样品均为无定形物和片状(或交错片状)物共存,说明片状(或交错片状)结构的形成不是同步进行的;样品从开始结晶到完成结晶所需的时间较长,不同于分子筛结晶中常见的自催化结晶方式.我们推测,交错片状ZSM-5的形成发生在无定形物与溶液相界面处,遵循匀相成核机理.
该方法得到的ZSM-5分子筛SiO2/Al2O3约为40,且固体核磁表明,ZSM-5中Al主要以骨架四配位形式存在,HZSM-5催化剂上四配位Al的比例高达95%以上,因此其骨架有丰富的酸性位.甲醇制汽油反应性能显示,在363℃,0.4 MPa条件下,甲醇转化量240 g时催化剂仍未失活,表现出典型纳米ZSM-5分子筛的高稳定性特征,这可能归结于片状ZSM-5具有短的(100-200 nm)直孔道或之字形孔道,可以有效促进反应物和产物的扩散,抑制积碳的生成.

English

    1. [1] G. Busca, Chem. Rev., 2007, 107, 5366-5410.

    2. [2] J. Kärger, R. Valiullin, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 4172-4197.

    3. [3] K. Li, J. Valla, J. Garcia-Martinez, ChemCatChem, 2014, 6, 46-66.

    4. [4] S. Yang, C. Yu, L. Yu, S. Miao, M. Zou, C. Jin, D. Zhang, L. Xu, S. Huang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12553-12556.

    5. [5] S. van Donk, A. H. Janssen, J. H. Bitter, K. P. de Jong, Catal. Rev.-Sci. Eng., 2003, 45, 297-319.

    6. [6] R. Chal, C. Gérardin, M. Bulut, S. van Donk, ChemCatChem, 2011, 3, 67-81.

    7. [7] J. Pérez-Ramírez, C. H. Christensen, K. Egeblad, C. H. Christensen, J. C. Groen, Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 2530-2542.

    8. [8] B. Lu, Y. Yakushi, Y. Oumi, K. Itabashi, T. Sano, Microporous Mesoporous Mater., 2006, 95, 141-145.

    9. [9] H. Zheng, F. Gao, V. Valtchev, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16756-16770.

    10. [10] S. C. Larsen, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 18464-18474.

    11. [11] M. Ma, X. Huang, E. Zhan, Y. Zhou, H. Xue, W. Shen, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 8887-8891.

    12. [12] M. Choi, K. Na, J. Kim, Y. Sakamoto, O. Terasaki, R. Ryoo, Nature, 2009, 461, 246-249.

    13. [13] K. Na, M. Choi, W. Park, Y. Sakamoto, O. Terasaki, R. Ryoo, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4169-4177.

    14. [14] X. Zhang, D. Liu, D. Xu, S. Asahina, K. A. Cychosz, K. V. Agrawal, Y. Al Wahedi, A. Bhan, S. Al Hashimi, O. Terasaki, M. Thommes, M. Tsapatsis, Science, 2012, 336, 1684-1687.

    15. [15] D. Xu, Y. Ma, Z. Jing, L. Han, B. Singh, J. Feng, X. Shen, F. Cao, P. Oleynikov, H. Sun, O. Terasaki, S. Che, Nat. Commun., 2014, 5, 4262.

    16. [16] A. Chang, H.-M. Hsiao, T.-H. Chen, M.-W. Chu, C.-M. Yang, Chem. Commun., 2016, 52, 11939-11942.

    17. [17] W. Chaikittisilp, Y. Suzuki, R. R. Mukti, T. Suzuki, K. Sugita, K. Itabashi, A. Shimojima, T. Okubo, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3355-3359.

    18. [18] Q. Wu, M. Li, Y. Huang, Y. Fang, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 226, 284-291.

    19. [19] J. Chen, T. Liang, J. Li, S. Wang, Z. Qin, P. Wang, L. Huang, W. Fan, J. Wang, ACS Catal., 2016, 6, 2299-2313.

    20. [20] D. G. Hay, H. Jaeger, K. G. Wilshier, Zeolites, 1990, 10, 571-576.

    21. [21] J. H. Koegler, H. van Bekkum, J. C. Jansen, Zeolites, 1997, 19, 262-269.

    22. [22] L. Zhang, Y. Song, G. Li, Q. Zhang, S. Zhang, J. Xu, F. Deng, Y. Gong, RSC Adv., 2015, 5, 61354-61363.

    23. [23] G. Bonilla, I. Díaz, M. Tsapatsis, H.-K. Jeong, Y. Lee, D. G. Vlachos, Chem. Mater., 2004, 16, 5697-5705.

    24. [24] L. D. Rollmann, J. L. Schlenker, S. L. Lawton, C. L. Kennedy, G. J. Kennedy, D. J. Doren, J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 7175-7183.

    25. [25] L. D. Rollmann, J. L. Schlenker, C. L. Kennedy, G. J. Kennedy, D. J. Doren, J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 721-726.

    26. [26] W.-H. Park, J.-H. Kim, C.-B. Chung, G. Seo, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 227, 191-201.

    27. [27] J. C. Jansen, Stud. Surf. Sci. Catal., 2001, 137, 175-227.

    28. [28] C. S. Cundy, P. A. Cox, Microporous Mesoporous Mater., 2005, 82, 1-78.

    29. [29] N. Ren, S. Bosnar, J. Bronić, M. Dutour Sikirić, T. Mišić, V. Svetličić, J.-J. Mao, T. Antonić Jelić, M. Hadžija, B. Subotić, Langmuir, 2014, 30, 8570-8579.

    30. [30] A. I. Lupulescu, J. D. Rimer, Science, 2014, 344, 729-732.

    31. [31] N. Ren, B. Subotić, J. Bronić, Y. Tang, M. Dutour Sikirić, T. Mišić, V. Svetličić, S. Bosnar, T. Antonić Jelić, Chem. Mater., 2012, 24, 1726-1737.

    32. [32] V. P. Valtchev, K. N. Bozhilov, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 16171-16177.

    33. [33] C. Dai, A. Zhang, M. Liu, X. Guo, C. Song, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 7479-7487.

    34. [34] Y. Wang, A. Tuel, Microporous Mesoporous Mater., 2008, 113, 286-295.

    35. [35] C. Mei, Z. Liu, P. Wen, Z. Xie, W. Hua, Z. Gao, J. Mater. Chem., 2008, 18, 3496-3500.

    36. [36] X. Zhu, L. Wu, P. C. M. M. Magusin, B. Mezari, E. J. M. Hensen, J. Catal., 2015, 327, 10-21.

    37. [37] H. Xue, X. Huang, E. Ditzel, E. Zhan, M. Ma, W. Shen, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1496-1503.

    38. [38] M. Stöcker, Microporous Mesoporous Mater., 1999, 29, 3-48.

    39. [39] M. Bjørgen, F. Joensen, M. Spangsberg Holm, U. Olsbye, K.-P. Lillerud, S. Svelle, Appl. Catal. A, 2008, 345, 43-50.

    40. [40] A. A. Rownaghi, F. Rezaei, J. Hedlund, Microporous Mesoporous Mater., 2012, 151, 26-33.

    41. [41] Y. Ni, A. Sun, X. Wu, G. Hai, J. Hu, T. Li, G. Li, J. Colloid Interface Sci., 2011, 361, 521-526.

    42. [42] Z. Xue, T. Zhang, J. Ma, H. Miao, W. Fan, Y. Zhang, R. Li, Microporous Mesoporous Mater., 2012, 151, 271-276.

    43. [43] A. A. Rownaghi, J. Hedlund, Ind. Eng. Chem. Res., 2011, 50, 11872-11878.

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  • 收稿日期:  2019-11-11
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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