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    系列硅鋁比納米薄層ZSM-5分子篩的合成和表征

    2013-09-21 09:00:24王務(wù)剛張少龍張?zhí)m蘭劉曉玲鞏雁軍
    物理化學(xué)學(xué)報(bào) 2013年9期
    關(guān)鍵詞:硅鋁晶化介孔

    王務(wù)剛 張少龍 張?zhí)m蘭 王 艷 劉曉玲 鞏雁軍 竇 濤

    (中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院,重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,CNPC催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)

    1 引言

    ZSM-5分子篩具有獨(dú)特的酸性質(zhì)和孔道結(jié)構(gòu),使其在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.但ZSM-5分子篩微孔孔徑小于1 nm使其催化性能受到限制,特別是遇到動(dòng)力學(xué)直徑大的分子參與的反應(yīng),將增多其二次反應(yīng),導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性不高.1,2因此,制備多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的ZSM-5分子篩,以增加反應(yīng)分子的擴(kuò)散性能的研究受到極大關(guān)注.

    采用熱、水熱、酸堿處理等后處理脫除分子篩骨架鋁或者硅在分子篩晶內(nèi)產(chǎn)生介孔,3?6導(dǎo)致分子篩骨架坍塌且無(wú)法控制介孔的尺寸.7以納米炭黑、介孔氧化硅或者碳納米管為硬模板,水熱晶化后焙燒除去模板劑制得多級(jí)孔道分子篩.8?10硬模板法合成工藝比較復(fù)雜且成本較高.以陽(yáng)離子聚季銨鹽為介孔模板劑,有機(jī)季銨鹽為微孔模板劑,合成出具有多級(jí)孔的ZSM-5和β分子篩,11發(fā)現(xiàn)軟模板分子可均勻分散在整個(gè)體系中,提高了與凝膠前驅(qū)體的作用,更有利于發(fā)揮模板作用;尤其是Ryoo等12?15利用雙子季銨鹽表面活性劑合成了MFI結(jié)構(gòu)分子篩,這種分子篩具有2 nm的MFI納米薄片和大量有序介孔的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu),且在大分子反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能.這樣的MFI納米薄片分子篩的研究成果被SCIENCE雜志評(píng)為2011年十大突破之一,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大.16?18

    本課題組19前期報(bào)道了納米薄層ZSM-5分子篩催化甲醇制丙烯的反應(yīng)性能,發(fā)現(xiàn)納米薄層ZSM-5分子篩比常規(guī)ZSM-5分子篩具有更高的丙烯/乙烯比和壽命.然而,開(kāi)發(fā)納米薄層ZSM-5分子篩的應(yīng)用19需要分子篩特定酸性,同時(shí)需要分子篩酸性與孔結(jié)構(gòu)的合理匹配,到目前為止關(guān)于系列硅鋁比納米薄層分子篩的合成及其詳細(xì)合成規(guī)律均未見(jiàn)報(bào)道.因此,本文利用自制的不對(duì)稱(chēng)雙子模板劑制備了系列不同硅鋁比的納米薄層ZSM-5分子篩,系統(tǒng)研究了其合成化學(xué)及分子篩的物化性能并獲得了納米薄層ZSM-5合成相區(qū),為納米薄層分子篩的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

    2 實(shí)驗(yàn)部分

    水玻璃(中石油蘭州石化股份有限責(zé)任公司,化學(xué)純,SiO2,28.08%),硫酸鋁(北京益利精細(xì)化學(xué)品公司,分析純,99%),溴代十八烷(百順化學(xué)科技有限公司,化學(xué)純,98%),四甲基-1,6-己二胺(上海煒恒化工有限公司,化學(xué)純,98%),溴代正己烷(鹽城錦標(biāo)化學(xué)有限公司,化學(xué)純,98%).

    2.1 納米薄層ZSM-5結(jié)構(gòu)分子篩的制備

    按文獻(xiàn)14方法合成了N-十八烷基-N'-己基-四甲基-1,6-己二銨表面活性劑(C18-6-6Br2)作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑.將一定量的C18-6-6Br2加入一定量的去離子水和無(wú)水乙醇中加熱溶解形成A液;分別將硫酸鋁、適量H2SO4溶解在去離子水中攪拌均勻后記為B液.將B液緩慢加入A液中攪拌均勻后加入水玻璃形成混合膠,其配比為SiO2:1/xAl2O3:0.30Na2O:yC18-6-6Br2:zH2SO4:50H2O:4C2H5OH.將混合膠繼續(xù)攪拌5 h后轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中晶化一定時(shí)間后,將產(chǎn)品抽濾、洗滌、干燥,制備了不同硅鋁比(X)的納米薄層ZSM-5分子篩,命名為ZSM-5-X.得到的樣品與1 mol·L?1的NH4Cl溶液按質(zhì)量比1:10混合,在90°C交換兩次,每次2 h,然后用去離子水洗滌、抽濾,100°C烘干8 h,550°C空氣氛下焙燒6 h得到HZSM-5分子篩.

    2.2 物化性質(zhì)的表征

    X射線粉末衍射譜(XRD)采用Bruker D8高級(jí)衍射儀測(cè)定.Cu Kα射線,管電壓40 kV,管電流30 mA,掃描范圍2θ為1.3°?50°,掃描速率4.0(°)·min?1.

    N2吸附-脫附曲線采用Micromeritics ASAP 2020吸附儀在?196°C測(cè)定.測(cè)試前樣品在350°C凈化處理4 h.比表面積采用BET法計(jì)算,采用tplot方法計(jì)算微孔面積和孔體積.

    采用FEI-QUANTA 200 F掃描電子顯微鏡測(cè)定分子篩的表面形貌和粒度分布,掃描電壓為20 kV.

    分子篩的硅鋁比采用日本Rigaku ZSX-100型X射線熒光光譜儀測(cè)定.

    固體27Al MAS NMR圖譜在Bruker Advance 400固體核磁共振波譜儀上進(jìn)行分析.27Al的共振頻率為130.34 MHz,轉(zhuǎn)速為8千轉(zhuǎn),循環(huán)延遲時(shí)間0.5 μs.采用Al2(SO4)3·12H2O為標(biāo)準(zhǔn)物.

    3 結(jié)果與討論

    3.1 晶化溫度的影響

    在n(SDA)/n(SiO2)=0.10,n(H2SO4)/n(SiO2)=0.08,n(SiO2)/n(Al2O3)=300,晶化時(shí)間5 d條件下,研究晶化溫度的影響.圖1是不同晶化溫度下合成樣品在掃描角度2θ為5°?50°范圍內(nèi)的XRD圖.結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)溫度下都能夠合成出ZSM-5分子篩結(jié)構(gòu).溫度較低(<140°C)時(shí),晶化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致ZSM-5的轉(zhuǎn)晶以及石英相的生成.晶化溫度在140°C時(shí),晶體的結(jié)晶度最高,而且23.1°和23.9°處的特征衍射峰明顯,為純相的ZSM-5分子篩.溫度較高(>140°C)時(shí),合成的ZSM-5分子篩樣品逐漸出現(xiàn)石英相.而22.5°?25°間的ZSM-5分子篩的特征峰逐漸清晰,說(shuō)明ZSM-5分子篩晶體逐漸長(zhǎng)大.

    圖1 不同晶化溫度下合成ZSM-5-300的XRD圖Fig.1 XRD patterns of ZSM-5-300 synthesized under different crystallization temperatures

    電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)較低的晶化溫度下,樣品絕大部分呈現(xiàn)出片層交叉結(jié)構(gòu)并且晶體尺寸較小.隨著晶化溫度的升高,晶體長(zhǎng)大,片層交叉結(jié)構(gòu)明顯.當(dāng)溫度到140°C時(shí),晶體呈現(xiàn)規(guī)整的納米薄層交叉的球形形貌,晶體生長(zhǎng)完全.當(dāng)溫度到達(dá)180°C時(shí),片層交叉結(jié)構(gòu)變得不明顯,這是因?yàn)楦邷叵陆Y(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑發(fā)生部分分解形成小分子的銨,造成形成薄層的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用降低,而且高溫容易導(dǎo)致ZSM-5分子篩的轉(zhuǎn)晶.由此可見(jiàn),溫度的控制對(duì)可合成結(jié)晶度良好的薄層ZSM-5分子篩非常重要.

    3.2 晶化時(shí)間的影響

    在n(SDA)/n(SiO2)=0.10,n(H2SO4)/n(SiO2)=0.08,n(SiO2)/n(Al2O3)=300,晶化溫度140°C,探討晶化時(shí)間對(duì)控制分子篩薄層形貌及孔結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)可以詳細(xì)說(shuō)明納米薄層形貌分子篩的晶化程度和組裝過(guò)程.如圖2所示,混合膠晶化時(shí)間為1 d時(shí),樣品開(kāi)始出現(xiàn)ZSM-5的結(jié)構(gòu)特征峰,同時(shí)在小角2.0°左右出現(xiàn)特征峰,表明在導(dǎo)向劑作用下樣品的介孔結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成,延長(zhǎng)晶化時(shí)間至5 d后,ZSM-5分子篩的晶體結(jié)構(gòu)和有序介孔特征均明顯增加,說(shuō)明晶體完整,薄層交叉排列有序.繼續(xù)延長(zhǎng)晶化時(shí)間(7 d),結(jié)晶度明顯提高,介孔規(guī)整程度有所降低,體系出現(xiàn)石英相.

    圖2 不同晶化時(shí)間合成ZSM-5-300的XRD圖Fig.2 XRD patterns of ZSM-5-300 synthesized with different crystallization time

    從圖3中幾個(gè)典型樣品可明顯看出納米薄層ZSM-5分子篩的生長(zhǎng)過(guò)程經(jīng)歷了初始凝膠的陳化、晶體的生長(zhǎng)、晶型的完整,隨后ZSM-5的轉(zhuǎn)晶過(guò)程.初始凝膠的晶化樣品主要為無(wú)定形.到了第二個(gè)階段,在結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的作用下,晶體開(kāi)始生長(zhǎng),樣品中出現(xiàn)較小尺寸的片狀晶體并呈現(xiàn)出不規(guī)則的交叉排列狀態(tài).隨著晶體的生長(zhǎng)(5 d),這種片狀交叉的結(jié)構(gòu)逐步完整最終長(zhǎng)成近乎球形的3 μm左右的球形晶體.說(shuō)明在晶體生長(zhǎng)初期,雙銨子基結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑同時(shí)具有ZSM-5結(jié)構(gòu)導(dǎo)向及促進(jìn)薄層形貌晶體形成和有序排列的作用.即ZSM-5薄層晶體是由小尺寸片狀結(jié)構(gòu)沿MFI結(jié)構(gòu)的c軸方向晶面趨向生長(zhǎng)完成的,13,19最終組裝排列形成了含有大量的有序介孔的納米薄層結(jié)構(gòu).晶化時(shí)間延長(zhǎng)到7 d,晶體的片狀結(jié)構(gòu)遭到破壞,形貌混雜結(jié)合XRD表征結(jié)果,體系出現(xiàn)石英相.一方面,ZSM-5開(kāi)始轉(zhuǎn)晶,另一方面,分子篩形成過(guò)程中體系的條件包括液相中硅鋁元素比例、堿度、電場(chǎng)等在不斷變化,使長(zhǎng)鏈雙子基有機(jī)銨鹽形成的膠束發(fā)生變化,導(dǎo)致介孔結(jié)構(gòu)有所變化.

    圖3 不同晶化時(shí)間合成ZSM-5-300的SEM圖Fig.3 SEM images of ZSM-5-300 synthesized with different crystallization time

    3.3 結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑用量的影響

    在n(H2SO4)/n(SiO2)=0.08,n(SiO2)/n(Al2O3)=300,晶化溫度140°C,晶化時(shí)間5 d的條件下,在優(yōu)化分子篩合成的基礎(chǔ)上,研究了有機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的用量對(duì)合成納米薄層ZSM-5分子篩的影響.當(dāng)n(SDA)/n(SiO2)較低時(shí),在XRD衍射峰(圖4)21.8°處出現(xiàn)了石英相特征峰,晶體生長(zhǎng)出現(xiàn)柱狀、球狀等不規(guī)則形貌,并無(wú)規(guī)則的層狀交叉結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5a).當(dāng)n(SDA)/n(SiO2)=0.10時(shí),石英相消失,ZSM-5分子篩的特征峰呈現(xiàn)明顯寬化現(xiàn)象,分子篩形成片狀交叉結(jié)構(gòu)形貌,薄層厚度在20?40 nm之間(圖5c).此外,在0.7°和5.6°處出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰,說(shuō)明合成ZSM-5分子篩形成有序?qū)訝罱榭滋卣?,與Ryoo等13研究結(jié)果一致.結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑用量繼續(xù)增加(n(SDA)/n(SiO2)=0.15),薄層厚度變薄,小角區(qū)范圍內(nèi)介孔衍射峰呈減弱趨勢(shì).同時(shí),電鏡下觀察樣品中有少量常規(guī)形貌的分子篩,這是因?yàn)槿苣z中親水基和憎水基形成的層狀結(jié)構(gòu)與憎水基團(tuán)外伸形成的柱狀共同存在,這樣既能夠形成薄層層狀形貌的ZSM-5分子篩,又能形成常規(guī)形態(tài)的分子篩.

    3.4 堿度的影響

    在n(SDA)/n(SiO2)=0.10,n(SiO2)/n(Al2O3)=300,晶化溫度140°C,晶化時(shí)間5 d的條件下,探討n(H2SO4)/n(SiO2)的影響.水玻璃體系合成納米薄層分子篩,需要加入H2SO4等調(diào)節(jié)體系堿度.當(dāng)H2SO4的量較大時(shí),合成體系堿度低,影響體系中硅酸根的解聚和聚合,也影響分子篩晶體的生長(zhǎng),導(dǎo)致產(chǎn)物薄層ZSM-5分子篩的相對(duì)結(jié)晶度較低.隨著H2SO4用量的降低,體系的堿度增加,降低了硅酸根的解聚和聚合的速度,提高了薄層ZSM-5分子篩的晶化速度,因而合成納米薄層ZSM-5分子篩的相對(duì)結(jié)晶度增加.當(dāng)n(H2SO4)/n(SiO2)=0.08時(shí),合成納米薄層ZSM-5分子篩的相對(duì)結(jié)晶度達(dá)到最大.減少H2SO4的量,產(chǎn)物中出現(xiàn)石英相.當(dāng)n(H2SO4)/n(SiO2)=0時(shí),產(chǎn)物為純石英相.這點(diǎn)與常規(guī)分子篩合成規(guī)律基本一致.

    圖4 不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑(SDA)用量合成ZSM-5-300的XRD圖Fig.4 XRD patterns of ZSM-5-300 synthesized with different amounts of SDA

    3.5 硅鋁比的影響

    在納米薄層ZSM-5分子篩適宜合成條件下n(SDA)/n(SiO2=0.08?0.12,n(H2SO4)/n(SiO2)=0.08?0.15,晶化溫度140?160 °C,晶化時(shí)間4?6 d,研究合成硅鋁比50、100、300、500的納米薄層ZSM-5分子篩.結(jié)合XRD(圖6)和電鏡照片(圖7)發(fā)現(xiàn)所有分子篩都具有薄層MFI型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)雜晶,具由20?40 nm的薄片交叉堆積而成的大小約為2?4 μm的球狀形貌.硅鋁比較低時(shí),分子篩規(guī)整度較差,隨著硅鋁比的增加,球狀形貌趨于規(guī)整,晶粒也更加均勻.結(jié)合XRD圖中小角區(qū)域的峰強(qiáng)度變化以及SEM圖發(fā)現(xiàn),隨著分子篩中Al含量的減少,分子篩在23.1°和23.9°處的特征衍射峰逐漸增強(qiáng),小角區(qū)域的介孔特征峰也逐漸增強(qiáng),說(shuō)明分子篩的相對(duì)結(jié)晶度和介孔結(jié)構(gòu)有序程度隨硅鋁比的增加而增加.

    圖5 不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑用量合成的ZSM-5-300電鏡圖片F(xiàn)ig.5 SEM images of ZSM-5-300 synthesized with different amounts of SDA

    圖6 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的XRD圖Fig.6 XRD patterns of ZSM-5 zeolites with different SiO2/Al2O3molar ratios

    表1 不同硅鋁比納米薄層ZSM-5分子篩的織構(gòu)性質(zhì)Table 1 Textural properties of nanosheet ZSM-5 zeolites with different SiO2/Al2O3molar ratios

    圖7 不同硅鋁比的ZSM-5分子篩的SEM圖Fig.7 SEM images of ZSM-5 zeolites with different SiO2/Al2O3molar ratios

    圖8 不同硅鋁比納米薄層ZSM-5分子篩的27Al MAS NMR譜圖Fig.8 27Al MAS NMR spectra of nanosheet ZSM-5 zeolites with different SiO2/Al2O3molar ratios

    不同硅鋁比納米薄層ZSM-5分子篩的N2吸附等溫線在相對(duì)壓力為0.4?1.0范圍內(nèi)均有明顯的滯后環(huán),這說(shuō)明合成的納米薄層分子篩樣品均產(chǎn)生了有序介孔.其物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1.

    通過(guò)對(duì)比表 1、XRD(圖 6)和 SEM(圖 7)表征結(jié)果可知,隨著投料硅鋁比的增加,分子篩的平均孔徑逐漸增大,這使得樣品的比表面積、介孔表面積、總的孔體積以及介孔孔體積都逐漸增大.相反,微孔表面積和微孔體積逐漸減小.

    由27Al MAS NMR表征結(jié)果表明(圖8),所有樣品在54處出現(xiàn)較強(qiáng)的化學(xué)位移,這歸屬于分子篩的骨架四配位Al物種,在0處只有較弱的化學(xué)位移信號(hào),說(shuō)明納米薄層分子篩中的Al物種基本都以四配位骨架Al的形式存在,六配位的非骨架Al很少.并且隨著硅鋁比增大,分子篩中Al含量逐漸減少,說(shuō)明納米薄層分子篩的實(shí)際硅鋁比也是逐漸增大的.

    圖9 納米薄層ZSM-5分子篩合成三相圖Fig.9 Ternary diagram of the nanosheet ZSM-5 zeolite synthesis

    圖9總結(jié)了C18-6-6Br2模板體系下合成產(chǎn)物的三相圖.如圖9中1區(qū),在高堿度、低模板劑和低鋁含量體系中,產(chǎn)物為石英相;降低合成體系堿度,會(huì)得到帶有石英相的納米薄層ZSM-5分子篩.如圖中2區(qū);在適量的堿度、鋁含量和模板劑含量條件下,合成產(chǎn)物為純納米薄層ZSM-5分子篩,如圖中3區(qū).與石英相區(qū)和石英相與納米薄層ZSM-5共晶區(qū)相比,純納米薄層ZSM-5分子篩有較大的相區(qū).

    4 結(jié)論

    在不對(duì)稱(chēng)雙子季銨鹽作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的條件下,研究了納米薄層ZSM-5分子篩的合成過(guò)程和影響規(guī)律.晶化溫度影響晶體的生長(zhǎng)、晶型轉(zhuǎn)變以及結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的成膠束能力,控制晶化溫度防止結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑發(fā)生分解,發(fā)揮結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用;晶化時(shí)間決定分子篩的結(jié)晶度和薄層的生長(zhǎng)程度;結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑用量和堿度影響納米薄層分子篩的結(jié)晶度,從而影響納米薄層分子篩的晶體結(jié)構(gòu)和形貌.在相應(yīng)條件下可制備出薄片交叉堆積形貌的硅鋁比為50?500的分子篩,且隨著硅鋁比的增加,納米薄層ZSM-5分子篩的比表面積和介孔孔容隨之增加.

    通過(guò)研究納米薄層分子篩的合成化學(xué)和合成參數(shù)的影響,獲得了納米薄層ZSM-5分子篩的合成相圖,為制備不同硅鋁比納米薄層ZSM-5分子篩及拓寬其應(yīng)用范圍奠定基礎(chǔ),為其他分子篩的形貌控制合成提供了新的思路.

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