新型碱蒸汽后处理工艺在多级孔沸石材料中的应用及材料催化性质研究

Hierarchically porous zeolites are thought to be the coming generation of catalysts. As far as their applications are concerned, there are yet two fundamental problems unresolved: the various kinds of pore networks formed almost simultaneously and the composites of hierarchically porous zeolites. In terms of the cooperative formation among various pore networks, phase separation longly troubles most of researchers. In this project, a novel alkaline steam-assisted post-crystallization process will be used to synthesize various hierarchically porous zeolites. In this process, phase separation, happening mainly during primarily solution synthesis, could be avoided effectively through creatively sorting and combining two kinds of templates. Different from conventional steam-assisted post-crystallization and direct hydrothermal treatment, steam-assisted treatment and crystallization of zeolite in strong alkaline environment are creatively combined with each other. Based on such synthesis, 2 or more novel hierarchically porous zeolites with controllable acidity would be further achieved. The prospective biodiesel applications of these novel materials were used to assess the catalystic activity. This research is few reported in the world, as far as we know. It makes its feature of explicit idea, extraordinary novelty which would provide fundamental experiences for the design and development of much effective cataylst.

多级孔沸石作为潜在的下一代催化材料要走向应用必须解决好两个关键问题：沸石晶化（小孔）与大孔/介孔的协同形成以及多级孔材料的异质复合。就多级孔的协同形成而言，分相一直是困扰合成的重要问题。本项目创新性的提出通过对介孔模板剂和沸石结构导向剂的配对组合，巧妙地绕开在溶液合成初期的分相条件，采用区别于传统蒸汽处理和直接水热等常用工艺的新型碱蒸汽后处理工艺，独创地将蒸汽处理和强碱促进矿化过程相结合，进行多级孔沸石材料的合成研究，进一步通过多种创新工艺制备2-3种新型多级孔沸石材料，希望获得可调酸性多级孔沸石新材料，同时以其催化制备生物柴油为探针反应来表征合成材料的催化效果。国内外这方面的研究尚鲜见报道，立意特色鲜明，项目的实施对催化科学的发展具有一定的理论意义，对多级孔沸石催化剂的实际推广具有很强的现实意义。

多级孔沸石作为潜在的下一代催化材料要走向应用必须解决好两个关键问题：沸石晶化（小孔）与大孔/介孔的协同形成以及多级孔材料的异质复合。就多级孔的协同形成而言，分相一直是困扰合成的重要问题：只有精确控制溶液合成的pH值在十分狭窄的范围内才能在一定程度上避免分相问题。因此如何绕开溶液合成时的分相，同时保证最终产物中沸石的充分晶化，以获得理想酸强度就显得尤为迫切。.该项目就是在本研究小组在前期多孔材料制备的经验上，创新性地提出一种简单有效的制备路线，即沸石晶种诱导碱蒸汽处理法来合成多级孔沸石材料，所得材料多级因子高达0.25，高于早期多数文献报道的数据（低于0.20）。同时，系统研究了合成工艺、结构、组成上的关系。研究表明，当采用全沸石晶元为原料在碱蒸汽处理时只能得到低多级因子（小于0.15）的低沸石化，而不引入沸石晶元（以全无定形硅为介孔框架材料）时碱蒸汽处理也难以实现高度沸石化。.本方法首先通过形成含有极少量沸石晶元的无定形介孔材料，再通过后续碱蒸汽处理得到高度晶化且介孔网络发达的单晶多级孔沸石材料。通过改变碱蒸汽的组成，介孔结构与颗粒形貌得以有效调控。其中碱蒸汽包括为四丁基氢氧化铵、乙二胺、三乙胺和水的一元、两元或三元混合物。采用乙二胺的水溶液为碱蒸汽源时，所得介孔沸石为立方体形貌，而以四丁基氢氧化铵、乙二胺的水溶液处理得到的多级孔沸石为层片状堆叠单晶沸石结构；此外，过高的碱蒸汽处理温度导致颗粒形成中空大孔结构暗示沸石的晶化过程在碱蒸汽环境下为由外及内的扩散传质过程。碱蒸汽的作用上，四丁基氢氧化铵促进沸石以层片状结晶，并在此基础上进一步沿层片法线方向组装，层片间距约10 nm, 每个层片上在介孔模板剂导向下形成大量的介孔网络，介孔孔径约3.5 nm。.对不同孔结构特征的多级孔沸石对生物柴油催化合成的研究表明，随着多级孔因子的增大，催化活性相应增加；同时选择四丁基氢氧化铵、乙二胺的水溶液碱蒸汽处理所得多级孔为研究对象，研究其对Cu(Ⅱ) 有强烈吸附能力，暗示其在环境吸附及催化领域的广阔前景。