二维超薄杂原子磷酸盐分子筛的设计合成及其催化应用

Two-Dimensional and ultrathin structure can improve the mass transfer problem of molecular sieve materials in catalysis effectively, with the two challenges on the synthesis and the structure stability. And the structure stability can be improved and the new catalytic sites can be introduced by introducing hetero atoms into the framework of molecular sieves. Moreover, metal phosphate molecular sieves have many unique properties, such as rich physical and chemical properties, easy heteroatom doping and shape selective catalysis, etc. Therefore, it is a very meaningful and challenging issue on scientific researches and applications to construct heteroatom metal phosphate molecular sieves with two-dimensional and ultrathin structure for improving the catalytic performance by considering the three of two-dimensional and ultrathin structure, heteroatom doping and phosphate molecular sieves..In this application, we will explore and develop smart method which contains constructing and exfoliating the artificial layered structure, and prepared heteroatom metal phosphate molecular sieves with two-dimensional and ultrathin structure (SAPO、M-SAPO and MPO4). And we will investgate the synthesis method and the formation mechanism of the materials deeply. Moreover, we will look for the applications of the designed materials in catalytic reactions, such as, NH3-SCR, hydration of epoxides to monoethylene glycol and dehydration of xylose to furfural, etc.

一方面，二维超薄结构可以有效地改善分子筛材料在催化中的传质问题，但其存在合成和结构稳定两大挑战；另一方面，在分子筛骨架内引入杂原子，既可以稳定分子筛的结构，又可以引入新的催化位点，调变分子筛的物化性能；同时，金属磷酸盐分子筛材料具有物理化学性质丰富，易于杂原子掺杂和择形催化等特点。将二维超薄结构、杂原子掺杂和磷酸盐分子筛材料这三者结合起来，构造二维超薄杂原子磷酸盐分子筛催化剂材料，以提高分子筛的催化性能，具有重要的科学意义和应用价值。.本项目申请探索和发展了一种利用构造、剥离和分子筛化人工层状磷酸盐前体的方法，去设计合成一种二维超薄杂原子磷酸盐分子筛材料（包括SAPO、M-SAPO和MPO4），深入研究其独特的材料合成方法和形成机理，并进一步开发其在传统催化方面（如NH3-SCR和环氧乙烷催化水合制乙二醇等）和糖类催化转化方面（如葡萄糖异构为果糖和木糖脱水等）的应用。

二维超薄结构，一方面，具有可以有效地改善微孔分子筛的传质问题，使其产生独特的活性位点以及适合作为模型催化的新研究平台等特点；另一方面，二维超薄结构也存在合成和结构方面的挑战。在合成方面，分子筛的生长过程受到奥斯瓦尔德（Ostwald）熟化机理的控制，一般倾向于三维生长成大颗粒；如何约束一个方向的生长而得到二维薄片结构，这是其在合成上的难点和挑战。在结构方面，由于二维超薄结构会产生巨大的外表面和高的表面能而导致其结构的不稳定性，如何平衡其高的表面能而得到结构稳定的二维薄片结构，这是其在结构上的难点和挑战。.本项目中，我们发展了一种利用构造、剥离和分子筛化人工层状磷酸铝前体的方法，设计合成了一系列具有二维超薄结构的杂原子磷酸盐分子筛（Me-SAPO），且系统研究了其独特且优异的催化性能。这种二维超薄杂原子磷酸盐分子筛为厚度小于10纳米的单晶片状结构：一方面，由于杂原子的引入，稳定了分子筛的二维超薄结构的；另一方面，这种二维超薄结构在提高分子筛的催化效率的同时为杂原子带来了独特的催化活性。比如，二维超薄CuO@SAPO-34分子筛用于催化氧化环己烷制己二酸，二维超薄Ni-SAPO-34分子筛用于催化氧化环己酮制己二酸和二维超薄Mo-CuO@SAPO-34分子筛用于催化氧化甲苯制苯甲醛等。