具有微孔分子筛管壁结构的金属磷酸盐纳米管材料的设计与合成

The catalyst design includes two key aspects: the design of material composition and the design of morphology & structure. In term of material composition, metal phosphate microporous zeolite, having rich structural characteristics, physicochemicalpropertiesrich and hydrothermal stability, is used as heteroatoms doping and shape-selective catalysis; in term of morphology & structure, the nanotubular structure has the unique tubular structure in nanoscale, special surface/interface effect and confinement effect within small channels. In addition, such a one-dimensional fibrous structure can get togther and form a network-like structure with macropores. Therefore, it is a very meaningful and challenging issue to construct metal phosphate microporous zeolite with the unique nanotubular structure. In this project, we will design and construct metal phosphate nanotube materials with microporous zeolite walls by a soft chemical method. We will explore the formation of nanotube-structure and zeolite-structure induced by different kinds of organic template molecules, and a new controllable synthetic route on the size, the structure, chemical composition and structural stability of the materials. We will investgate the formation mechanism of the materials, and the relationship between the catalytic performance and chemical composition & structure of the materials. Moreover, we will look for the application of the designed materials in catalytic reactions, such as, methanol-to-olefins and 1,3-butadiene selective hydrogenation etc.

催化剂的设计包括材料组成设计和形貌结构设计等两个关键方面。在材料组成方面，金属磷酸盐微孔分子筛材料具有物理化学结构丰富，杂原子易于掺杂，择形催化和水热稳定性好等特点；在形貌结构方面，纳米管结构具有利于传质的纳米级管道结构，以及表面界面效应和限域效应，此外，这种一维纤维状结构易于交织形成具有大孔的网络状结构。因此，将分子筛材料和纳米管结构结合起来，构造具有独特纳米管道结构的金属磷酸盐微孔分子筛材料，是十分有意义的且具有挑战性的课题。 本项目主要发展通过液相软化学方法设计和合成管壁为微孔分子筛结构的金属磷酸盐纳米管材料，探索不同有机模板分子对纳米管结构和分子筛结构的诱导合成，以及材料的尺寸结构、化学组成和结构稳定性可调控的新合成路线，研究其合成规律和形成机理，以及其性能与化学组成和结构的关系，开发其在甲醇制烯烃和1，3丁二烯选择性加氢等催化反应中的应用。

传质和选择性一直是分子筛领域的两大挑战：改善分子筛材料的传质问题，关键是如何有效降低分子筛在孔道方向的厚度；提高分子筛材料的选择性，关键是如何在分子筛骨架内引入杂原子。纳米管结构具有利于传质的纳米级管道结构，以及表面界面效应和限域效应，此外，这种一维纤维状结构易于交织形成具有大孔的网络状结构。金属磷酸盐微孔分子筛材料具有物理化学结构丰富，杂原子易于掺杂，择形催化和水热稳定性好等特点。因此，将分子筛材料和纳米管结构结合起来，构造具有独特纳米管道结构的金属磷酸盐微孔分子筛材料，是十分有意义的且具有挑战性的课题。. 本课题的研究主要集中在以下三个方面：. （1）金属磷酸盐纳米管材料。利用长链有机胺的碱性和模板的双重作用，来控制金属磷酸盐的晶相和形貌的协同演变，得到了一系列的金属磷酸盐纳米管材料，例如，磷酸钙、磷酸铜、磷酸钴和磷酸镍等，跟踪研究了其形成机理，同时，也初步探索了相应的催化和生物性能。. （2）二维超薄SAPO分子筛。利用TEOS分子，剥离层状磷酸铝纳米卷，并结合气相分子筛化的方式，得到了一系列的二维超薄SAPO分子筛材料，例如，SAPO-5和SAPO-34等，跟踪研究了其形成机理，同时，也初步探索了相应的催化性能，例如SAPO-5的木糖脱水制糠醛反应，其木糖的转化率为74%和糠醛的选择性为65%。. （3）具有三明治夹层结构的LiFePO4/石墨烯的复合材料。利用原位插层和碳化的方式得到了一种具有三明治夹层结构的LiFePO4/石墨烯的复合材料。锂离子电池性能的测试结果表明，这种三明治夹层结构提高了材料的性能：在10 C的时候，容量还可以达到117 mA/g。