多级孔Beta分子筛纳米晶：可控、高效合成及应用

Beta zeolite with micropores is not benefit for the mass transfer, especially for molecules with large size. Hence, controllable syntheses will be carried on to fabricate hierarchical Beta zeolite nanocrystals and thus improve the catalytic performance. Nanoscale Kirkendall effect will be utilized to synthesize hierarchical Beta zeolite nanocrystals without involving additional templates or post-treatment procedure. Hierarchical Beta zeolite nanocrystals with controllable pore property and particle size will be obtained with high yield. The structure-property relationship will be revealed according the absorption/catalytic performances by using probe molecules with different size. This research will pave the way for the oriented- synthesis of zeolite catalysts as well as their industrial applications.

围绕传统Beta分子筛存在孔道扩散阻力大、对大尺寸分子转化能力弱等问题，以Beta分子筛的孔道结构和晶粒尺寸控制制备为核心，针对已有方法存在的合成过程需要模板剂/后处理、产物产率低等问题，开展多级孔Beta分子筛纳米晶催化剂的可控、高效合成及应用研究：（1）将Kirkendall生长引入到分子筛的合成当中，构筑准固相的Beta分子筛合成体系，在无需模板剂和后处理步骤的条件下，制备出一系列孔道结构和晶粒尺寸可调的多级孔Beta分子筛纳米晶；利用该体系无需分离的特点实现多级孔分子筛纳米晶的高效合成。（2）以不同分子尺寸的吸附质为探针分子，考察所制备材料的吸附性能，揭示结构与扩散性能的构效关系。（3）通过考察Al-Beta对苯酚和叔丁醇烷基化系列反应的催化性能，明确孔道结构对物质（包括大尺寸分子）催化性能的影响，为进一步指导催化剂的定向合成和工业应用奠定基础。

单一结构的微孔材料如分子筛存在孔道扩散阻力大，催化能力弱等问题，多级孔道的构筑可有效提高材料的性能。为解决已有方法存在的需要模板剂/后处理、合成时间长、产率低等问题，一方面我们利用Kirkendall生长机制，在无需额外介孔模板或后处理步骤的条件下，设计合成了一系列孔道结构、晶粒尺寸以及铝含量可调的多级孔beta分子筛纳米晶，实现了多级孔beta分子筛纳米晶的可控、高效合成（产率高达99%）。通过对材料吸附性能的考察，证实介孔的引入和粒径的纳米化可有效提高材料吸附性能，并进一步明确了孔道结构、晶粒尺寸、孔容等与吸附性能的构效关系，为分子筛材料的定向合成提供了依据。另一方面将此合成策略与晶种诱导法相结合，在不引入任何模板剂/结构导向剂的条件下制备得到了多级孔beta分子筛纳米晶。该合成方法有效避免了有机铵的使用，可使多级孔beta分子筛纳米晶的生产成本进一步降低，同时有效地减少了能源的消耗和对环境的污染。在此基础上，将多级孔的构筑策略拓展至其他微孔材料的合成领域：成功制备出具有多级孔道结构的金属有机框架和共轭多孔聚合物材料，所得材料及其碳衍生物在氧还原反应和锂离子电池测试中展现出优异的性能。该研究为构筑具有多级孔道结构的功能材料提供了研究思路。