介孔氧化硅KIT-6表面Lewis酸性的精确调控及其催化重油裂化反应机理研究

Fluid catalytic cracking (FCC) process is one of the most significant methods for heavy oil lightening, however, the performance of FCC catalysts for high efficiency conversion of heavy oil still needs to be improved. Adjusting the Lewis acid properties on the surface of catalyst matrix is an effective way to improve conversion of heavy oil and optimize product distributions. However, the adjusting methods of surface Lewis acidity of matrix are still deficient. In this work, the uniform doping of metal heteroatoms on KIT-6 matrix, which is a mesoporous silica material, will be realized by atomic layer deposition method, so as to precisely control the Lewis acid properties on the surface of KIT-6 matrix material. The relations among metal heteroatoms species, doping amounts and Lewis acid density and acid strength of matrix will be studied. A new method for controlling the Lewis acidity of matrix materials will be established. The catalytic cracking mechanism of pure hydrocarbons on Lewis acid sites will be studied. The influence of Lewis acidity of matrix on the catalytic cracking of heavy oil will be investigated by varying catalyst bed configurations. The catalytic cracking mechanism of hydrocarbons on the Lewis acid sites of matrix will be finally revealed. The smooth implementation of this project will provide a new strategy and theoretical basis to research and development of FCC catalyst matrix with high performance in heavy oil catalytic conversion.

催化裂化是重质油轻质化的重要手段之一，但重油高效转化催化裂化催化剂的性能仍有待提高。调控催化剂基质组分表面Lewis酸性质是提高重油转化率和优化产物分布的有效途径。但是，基质表面Lewis酸性调控的方法仍比较欠缺。本课题拟以介孔氧化硅材料KIT-6为基质，采用原子层沉积法实现KIT-6表面金属杂原子的均匀掺杂，达到精确调控其表面Lewis酸性质的目的，研究金属杂原子种类、掺杂量与基质表面Lewis酸密度和酸强度之间的规律，探索基质表面Lewis酸性调控的新方法；研究基质表面Lewis酸性质在纯烃催化裂化反应中的作用机制，通过改变催化剂床层类型研究基质Lewis酸性质对重油催化裂化反应的影响规律，揭示基质表面Lewis酸在烃类催化裂化反应中的机理。该项目的顺利实施将会为重油高效转化催化裂化催化剂基质材料的研究和开发提供新的策略和理论依据。

研究和开发高效的FCC催化剂是提高资源利用率和炼厂经济效益的最有效途径之一。本研究针对传统催化裂化催化剂难以兼顾高活性和低焦炭产率的难题，从催化剂的基质和活性组分的表面酸性值调控和合理匹配出发，设计和制备一系列表面酸性质不同的基质和分子筛，研究基质与分子筛的表面酸性质对轻烃和重油裂化反应的影响规律和作用机制。本研究对于丰富面基质表面Lewis酸性调控的方法和研发高性能的FCC催化剂基质材料具有重要的科学意义。研究采用原位水热合成法制备了金属掺杂改性的规整介孔氧化硅KIT-6基质材料，发现Al、Zr、Sn杂原子掺杂量低时可以调变材料的Lewis酸量，杂原子掺杂量高时产生Brønsted酸位；采用硼和锌掺杂实现了氧化铝表面Lewis酸性的选择性调控，采用硼、氟、锌掺杂实现了氧化铝表面Brønsted酸和Lewis酸性质的双向调控，即硼掺杂可以降低氧化铝表面Lewis酸量，氟掺杂可以使氧化铝表面产生富Brønsted酸的同时提高Lewis酸量，锌掺杂可以提高氧化铝表面Lewis酸量；以葡萄糖为模板剂、氨水为矿化剂，采用两步水热晶化法直接合成了多级孔氢型HZSM-5分子筛，在此基础上采用动态水热晶化法实现了氢型HZSM-5分子筛的绿色快速合成，降低了能耗和污染；通过分子筛后处理组合技术实现了分子筛孔道和孔道交叉处骨架铝密度的选择性调控；研究了不同表面酸性质的基质、分子筛、基质与分子筛匹配，基质与工业催化剂匹配对轻烃和重油催化裂化反应性能的影响，发现基质Brønsted酸有利于提高反应活性，提高基质Lewis酸量和酸强度可以提高烃类裂化活性，但容易导致焦炭产率升高，揭示了基质表面酸性调控在烃类裂化反应中的作用机制。适当提高基质表面Brønsted酸量、降低Lewis酸量有利于提高重油裂化反应性能。在项目执行期间，发表了高水平学术论文5篇，其中SCI收录5篇，申请国家发明专利2项；培养了硕士研究生3名。