分子筛晶体内多级孔的构筑及其对催化反应的扩散调控机制

Zeolites, possessing crystalline frameworks and ordered networks of micropores (typically 0.25–1.5 nm), have been widely used as important heterogeneous catalysts in various industrial processes, such as oil refining, petrochemistry and organic synthesis. The diffusion performance of the catalysts is the decisive factor of diffusion-dominant catalytic reactions in the petroleum chemical industry field. Currently, the major difficulties and bottlenecks in the practical industry application of hierarchically porous zeolites are their low catalytic efficiencies and short catalytic lives, which are caused by their poor diffusion performances. The key scientific problem to promote such solution is to maximize the connectivity between pores with various sizes and to improve their stabilities. The introduction of supplementary pores (meso-/macropores) into zeolite materials to fabricate hierarchically zeolite single crystals with macro-meso-microporous structure is an essential approach to resolving such problem. This project focuses on design and synthesis of hierarchically ordered macro-mesoporous zeolite single crystals, investigation and development of the synthesis mechanism, methods and the influence of ordered macro-meso-microporous hierarchy on diffusion property and the resultant catalytic performances.

沸石分子筛作为石油化工催化材料的重要一员，在石油催化裂化及精细化工等关系国计民生及国民经济命脉的关键领域发挥着重要作用。针对石油化工领域以扩散调控为主导的催化反应，催化材料的流通扩散性能是决定其催化性能的关键。当前沸石分子筛在实际工业应用中存在催化效率低及催化寿命短等重大瓶颈问题，导致这些问题的原因为催化剂的低流通扩散性能，其根本的关键科学问题为催化材料的多级孔道结构跨尺度贯通性及稳定性问题。构筑沸石分子筛晶体内多级孔道结构，开发多级孔道沸石分子筛单晶材料，是解决这一关键科学问题的科学途径。本项目拟开展沸石分子筛晶体内多级孔道结构的构筑研究，开发晶体内大孔-介孔多级孔道结构构筑的新原理及新方法，建立晶体内多级孔道结构构筑与晶体生长过程的协同作用机制，制备出高扩散高效率超稳定的多级孔大孔-介孔-微孔分子筛单晶催化材料，并深入研究多级孔道结构对大分子催化反应的扩散调控机制。

项目执行期间，围绕分子筛晶体内多级孔的设计合成开展工作，提出了硬模板多级限域概念，开发了硬模板多级限域晶化新策略，将沸石分子筛晶体生长过程限域在硬模板的多级孔道中，实现在单一分子筛晶体内跨尺度贯通多级孔道结构体系的构筑及调控，成功从晶体外到晶体内多级孔道体系的拓展，开发了一系列等级孔分子筛单晶催化剂，进一步阐明了晶内多级孔结构对流通扩散性能的促进机制以及与催化性能之间的构效关系，并成功应用于气相、液相催化反应中。相关成果发表在Chem. Rev.、Matter、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev.等重要国际学术期刊30篇，授权国家发明专利5项，培养博士研究生1名，硕士研究生4名，建立了较为广泛的国际学术交流与合作关系。项目负责人陈丽华于2017年获武汉理工大学15551工程“青年拔尖人才”称号，2017年获中国化学会分子筛专业委员会第一届“中国分子筛新秀奖”，2018年获湖北省杰出青年基金, 2018年获河北省科技英才“双百双千”工程-科技型中小企业创新英才称号，2019年“仿生等级孔材料的可控构筑和新功能机制的研究”获湖北省自然科学一等奖第四完成人。担任湖北省化学化工学会催化专业委员会委员及石化联合会催化联盟青年工作委员会委员。