硅烷偶联剂和介孔模板协同作用下制备多级孔结构ZSM-5沸石

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沸石分子筛是一种具有微孔结构的硅铝酸盐晶体,具有高比表面积、高水热稳定性以及良好的择型催化性能,广泛应用于石油化工、吸附分离等领域。但是由于分子在微孔孔道中的扩散速率较慢,限制了其利用效率多级孔结构沸石是指沸石微孔孔道外还含有介孔孔道体系的沸石分子筛。介孔的存在可以大大缩短沸石的传质距离,且有利于大分子参与的反应,从而提高沸石的催化效率。硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷,其分子中同时具有能与有机材料化学结合的反应基团和与无机材料化学结合的反应基团。有文献报道硅烷偶联剂加入沸石合成体系中可抑制沸石晶体的生长,得到纳米沸石晶体聚集的多级孔沸石。为使多级孔沸石内的介孔孔道有序,将介孔模板引入沸石,介孔模板通过硅烷偶联剂形成离子键而相连,可成功进入沸石合成体系中,形成有序介孔沸石。本论文的研究内容主要包括以下两个部分:1)以水玻璃为硅源,TPABr为模板剂,在合成体系中加入硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES),通过水热晶化,制备出球形形貌的多级孔结构的ZSM-5沸石分子筛。考察了合成体系中碱度、硅铝比、硅烷偶联剂APTES用量及种类等对合成多级孔ZSM-5沸石的影响,以XRD、SEM、N2吸-脱附以及TEM表征手段对所合成样品的结构和形貌进行表征。结果表明,加入硅烷偶联剂APTES可成功合成出多级孔ZSM-5沸石,随APTES用量的增大,样品的结晶度逐渐降低,晶体尺寸逐渐减小,APTES用量过大则不能合成出沸石,以聚丙烯催化分解反应为探针反应,结果表明,添加硅烷偶联剂APTES作用下制备的多级孔ZSM-5比未添加APTES得到的样品具有更好的催化性能。2)以水玻璃为硅源,TPABr为模板剂,APTES为硅烷偶联剂,在沸石合成体系中加入介孔模板,制备多级孔ZSM-5沸石分子筛。考察了介孔模板种类、用量等对合成多级孔ZSM-5沸石的影响。结果表明,当介孔模板为阴离子表面活性剂十二烷基肌氨酸钠(Sar-Na)时,可合成出介孔含量丰富的多级孔ZSM-5,随Sar-Na用量的增加,样品结晶逐渐降低。以苯和苯甲醇的F-C烷基化反应为探针反应,结果表明,Sar-Na与APTES协同作用下制备多级孔ZSM-5沸石比传统ZSM-5沸石晶体具有更好的催化活性。以聚丙烯酸(PAA)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板时,同样可成功合成出介孔含量较高的多级孔ZSM-5沸石。硅烷偶联剂APTES与PAA的比例对沸石形貌有很大影响,当PAA≤APTES时,APTES的聚合作用大于PAA的解聚作用,ZSM-5为球形颗粒,当PAA>APTES时,PAA的解聚作用大于APTES的聚合作用,ZSM-5为规则晶体;以苯和苯甲醇的F-C烷基化反应为探针反应研究了多级孔ZSM-5分子筛的催化性能,结果表明,PAA和CTAB为介孔模板合成出的多级孔ZSM-5由于具有丰富的介孔结构,表现出了良好的催化性能。
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