2022年介孔分子筛的功能化制备及催化性能分析研究进展詹望成.docx
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1、精品学习资源化工进展CHEMICALINDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS介孔分子筛的功能化制备及催化性能讨论进展詹望成,卢冠忠,王艳芹结构可控先进功能材料及其制备训练部重点试验室,华东理工高校工业催化讨论所,上海200237摘要:介绍了介孔分子筛经杂原子取代,引入酸功能、氧化仍原功能;经有机- 无机嫁接 01-0001-07Preparation and catalytic activities of functionalized mesoporous molecular sievesZHAN Wangcheng, LU Guanzhong, WANG Yanqi
2、ngLab for Advanced Materials, Research Institute of Industrial Catalysis, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237Abstract : The preparation of functionalized mesoporous molecular sieves were introduced,which are including the formation of the acid active sites, redox active
3、sites and used the support for immsobilizing enzyme catalysts by heteroatomic substitution ; the formation of polymerization active sites, acid active sites or chiral catalysis sites by the organic inorganic graft or hybridization; as the carriers, the transition metals, transition metaloxidesandaci
4、dcatalystsaresupported.Theprogressesonthepreparationandcatalytic activities of the functionalized mesoporous molecular sieves are reviewed.Keywords:mesoporousmolecularsieve;functionalization;preparation;heteroatomicsubstitution;graft;support欢迎下载精品学习资源介孔分子筛,是指孔径在2. 50 nm、孔分布匀称且具有规章孔道结构的无机多孔材料;通常以表面活性
5、剂为模板剂,利用溶胶- 凝胶、乳化或微乳化等化学过程,通过有机物和无机物之间的界面作用进行合成;由于孔径较大且可调剂,适合于一些较大 分 子 的 催 化 转 化 ; 具 有 很 大 的 比 表 面2=1000m/g ,可以作为优良的催化剂载体,经过优化合成条件或后处理,具有很好的热稳固性和水热稳 定性;1992 年, Mobil 公司的讨论人员首次使用烷基季铵盐型阳离子表面活性剂为模板剂,在碱性条件下合成了具有单一孔径的介孔硅酸盐材料,统称为1, 2M41S,包括六方晶系的MCM41、立方晶系的MCM 48 和层状结构的MCM50;自 M41S系列材料问世以来,对介孔分子筛的讨论特别活跃;讨论
6、者采用不同的模板剂、原料等,合成了多种具有规章孔道结构的介孔分子筛,如SBA15、SBA3、SBA 1、 MCM 22、MCM49、HMS、Ia3d 、MSU等;并提出了多种介孔分子筛的合成机理,如液晶模板机理、棒状自组配机理、电荷匹配机理和层状折皱机理等;与微孔分子筛相比,介孔分子筛具有可调的、较大的孔径和大的表面积,可在催化材料和载体、传感器、吸附剂以及化学组装和分子器件等方面有收稿日期 2005-11-30;基金工程上海市科委重大基础讨论工程;第 一 作 者 简 介 詹 望 成 , 男 , 博士 研 究 生 ; 电 话 02164252943;联系人卢冠忠,博士,教授;E-mailgzh
7、lu;欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源着广泛的用途,但对材料均具有一些特别属性的要求,如表面缺陷、界面性能、立体构型、电子密度和酸性等;纯氧化硅介孔分子筛因孔壁为无定型, 因而水热稳固性较差;由于硅氧四周体为一电荷平稳体系,因此纯硅的骨架中晶格缺陷少,表面酸中心浓度低且酸性很弱;氧化硅不具有氧化仍原性能等;因此纯硅的介孔分子筛通常不能直接用作催化剂,对介孔分子筛进行功能化改性,使其具有肯定的催化活性;为此,国内外学者对此开展了大量的讨论工作,包括对纯硅的分子筛进行杂原子取代、有机 - 无机嫁接 杂合)和负载化制备等;通过功能化制备,使其具有强酸中心或氧化仍原中心,从而获得较高的催化活性
8、;本文介绍介孔分子筛的功能化制备和催化性能的讨论进展;1 杂原子取代杂原子取代是通过直接合成或对硅基介孔材料后处理等方法,将非四价离子或过渡金属离子取代3+3+2介孔分子筛骨架中的Si原子;引入的非四价离子有Al、Fe 、 Co+等,引入的非四价离子,可取代分子筛骨架中的Si ,形成骨架电荷,使分子筛表面产生酸性中心,从而增加介孔材料的酸碱性;引入的金属离子有 Co、 Cr、Cu、Fe、Ga、Mn、Mo、 Nb、Ti 、V、Zr 等;过渡金属离子的引入可以增加介孔材料的缺陷数量,增加表面的吸附性能,同时引入氧化仍原性能; 1.1 引入酸功能师希娥等W采纳溶胶 - 凝胶法合成了介孔分子筛NBMA
9、、S 常规水热法合成A1-MCM-4、1 在不加模板剂CTAB的条件下 , 制备了无定形硅铝和常规法合成ZSM- 5,并考察了对1, 3, 5-三异丙苯裂解的催化活性;结果说明, 1, 3, 5- 三异丙苯在介孔 NBMA、S A1 - MCM- 41 和无定形硅铝上的裂解转化率都较高 90.0%,而在 HZSM-5上的转化率明显低于前三种催化剂;这是由于 HZSM-5的孔径较小 ,对于动力学直径较大的 1, 3, 5- 三异丙苯 不能进入分子筛的孔道与活性位接触,只能利用分子筛的外表面酸性位催化裂解反应,而表面酸性位只相当于总 酸性位的3%,因此转化率较低;相反,具有较大孔径的介孔分子筛能够
10、答应大分子的反应物进入孔道,因而具有较高的催化活性;另外,比较老化前后分子筛的裂化活性后发觉,在其他催化剂的裂化活性大大下降时,NBMAS就出现出较好的裂化活性及稳固性;与六方相MCM-41分子筛相比,立方构型的MCM -48 介孔分子筛具有特殊的孔道结构,有利于反应物11和产物的扩散; Xue 等用水热合成法直接制备MCM- 48和 Co - MCM - 48 ,并用于青霉素酰化酶的固载化;经 Co 杂化以后, Co-MCM-48照旧保持有序的长程结构、窄的孔径分布、大的表面积和高浓度的表面硅羟基等特性;青霉素酰化酶通过与表面羟基作用固定在 Co - MCM - 48 的表面,当相宜的Co离
11、子进入骨架后,有利于增加分子筛表面的弱酸活性位,可欢迎下载精品学习资源MCM-41的杂原子取代制备始终是讨论热点,其中以固载更多的青霉素酰化酶以 Co-MCM -48为欢迎下载精品学习资源3最有代表性的是三价Al 取代 Si;在合成凝胶中加入铝源,可直接合成Al_MCM_4,1 焙烧后产生酸性位; Al_MCM_41已被作为裂解、加氢、异构化和烷基化等反应的有效催化剂* ;但 Al - MCM - 41的酸性和热稳固性低于常用的HY 和 ZSM - 5 等催化剂;由于在焙烧去除模板剂过程中,骨架铝简单被模板剂燃烧产生的蒸汽水解并脱除,导致骨架中Al 含量削减,酸性降低;假如提高合成原料中的Al
12、/Si比,会使结构稳固性降低,导致高温焙烧时骨架塌陷;所以研究者们始终致力于提高Al - MCM - 41酸性和热稳固性,以期能符合工业化应用的需要;9载体固定PGA时,青霉素的水解活性为1682 U/g,采纳 MCM - 41为载体,活性为402 U/g,见图 1;.Co/.Si欢迎下载精品学习资源李望良等合成了不同 Si/Al比的 Al - MCM - 41欢迎下载精品学习资源分子筛,随着配料中SiO2/ .Al2O3的减小, Al- MCM - 41 中的 Al 含量增加,骨架上Al 的存在易产生骨架缺陷,使分子筛的有序度和稳固性降低;但随着 Al 含量增加,分子筛的酸量增加,从而增加了
13、对萘的加氢和加氢产物的异构、开环的催化活性;图 1 PGA/Co-MCM-48中的 Co/ .Si 对青霉素的水解活性和对 NH 3 的吸附量的影响12能化制备的有效方法;Seivam 等采纳硫酸钒、乙酰1.2 引入氧化仍原功能在介孔分子筛中,引入过渡金属离子是实现功欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源丙酮钒、钒酸钠和钒酸铵为原料,制备了V- MCM - 41,考察了不同原料对钒进入骨架和对环己烷氧化反应催化性能的影响;讨论发觉,当采纳四价态钒ia、 Ci2Ph - EOio 为模板剂,硅酸四乙酯 硅源,钛酸四丁酯 钛源,乙醇、异丙醇为溶剂,分别合成了 Ti - MSU - 1和 Ti -
14、 MSU - 2,讨论发觉合成的Ti-MSU分子筛对苯乙烯具有较好的催化氧化性能,且苯乙烯的转化率随分子筛中的钛含量增加而增大;Luo14为了降低含钛介孔分子筛的合成成本,等讨论了用无机化合物作为钛源;为了克服钛离子在合成条件下产生氧化钛沉淀,先将无机钛源和H2O2 混合形成钛过氧化物溶液,然后再把钛源加入碱性的合成凝胶中,胜利制备了Ti-MCM-41;对 Ti-MCM-41催化苯乙烯的氧化反应说明,在相同的Si/Ti比时,采纳 Ti SO 4 2 和 TiCU 为钛源合成的Ti-MCM-41,比采纳 K2TiO C 2O4 2 和 2TiF 6 为钛源合成的样品具 有更高的催化活性,同时对表
15、面的酸性也有影响;作为另一种六方相孔道结构的介孔分子筛,HMS15的功能化也受到大家的关注;张美英等在苯氧化反应无催化作用,以三种不同Cu 源合成的Cu-HMS对异丙苯氧化都具有催化作用,说明对异丙苯 氧化起催化作用的是Cu 组分;对分子筛样品的结构及表面的测定说明,Cu 已进入 HMS的骨架;假如用16Ti 取代 HMS中的 Si 即可制成 Ti-HMS,用 Ti-HMS催化过氧化氢 氧化苯乙烯时,在 50C反应 3h,苯乙烯的转化率为 33% 环氧化物的挑选性可达到 41 % ;2 有机无机嫁接 杂合)有机 - 无机嫁接 杂合)是近年来介孔分子筛功能化讨论中的一个热点;介孔分子筛由于具有宽
16、大的孔道空间以及大量的表面 硅羟基 ,与微孔分 子筛相比,在通过表面功能化 制备有机 -无机杂化材料方面 具有特殊的优势;通过有机-无 机嫁接,不仅可得到高性能的 介孔催化新材料,也为大量均相催化剂的固载化供应了宽阔空间;采纳有机硅烷偶联剂与介孔分子筛表面的硅羟基反应共价嫁接功能分子或功能基团,是有机 - 无机嫁接的基本方法之一,可以直接将活性组分嫁接在分子筛表面;也可以用改性剂先与表面羟基反应获得改性的表面,然后将活性组分嫁接在经过改性的分子筛表面上;介孔分子筛表面嫁接有机物后,孔道内的空间会变小,材料的物理、化学性质、孔径、孔容、表面积和表面极性等均会发生变化;欢迎下载精品学习资源中性介质
17、中合成了含Cu 的杂原子介孔分子筛Cu-贾雪公平17用具有含氮碱基的硅烷偶联剂对六方纯硅介孔分子筛SBA-3进 行 了表面 功 能化;欢迎下载精品学习资源图 2 用 AM 对 SBA-3 表面进行嫁接R=C2H5 ; R1= CH NH欢迎下载精品学习资源18负载功能分子后,样品的六方结构特点基本保持,但结晶度和有序性有所降低,部分介孔转变为微孔,孔容、表面积和孔径下降;功能基团的负载量越高,孔容、表面积下降得越多;由于有机功能分子的极性小于吸附水和表面硅羟基的极性,因此表面被功能分子掩盖后,样品的表面极性下降; Feng 等 通过与表面羟基反应把巯基丙基硅烷固定在 MCM-4,1 然后水解形
18、成巯基丙基硅烷交联单分子层,表面掩盖率可达到 76%;这种材料可以吸附废液中的水银或其他重金属,并可再生重复使用;除了利用表面羟基将有机基团嫁接在介孔分子筛表面19外,也可以用有机硅源直接合成有机- 无机杂合的介孔分子筛,使有机官能团或烷基链存在于分子筛的骨架中;Inagaki等在表面活性剂烷基三甲基铵介质中,以 C2H53Sl C6 H4 SlOC2H53为原料,在碱性条件下合成了六角柱孔道排列的苯-欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源硅杂化介孔材料,其晶格参数为5.25 nm,孔壁类似于晶体结构,在沿着孔道方向出现出0.76 nm 空间的周期性结构 ;周期性的孔表面结构由亲水的硅层和疏
19、水的苯层交替组成;使用甲基铝氧烷 MAO作 为质子去除剂,就以图4 a 的形式进行负载,每克催化剂的负载量为3.83mg Ti ;对于乙烯聚合反应,物理负载的催化剂活性很低,缘由是负载催化剂分子量太小;在助催化剂MAO欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源0.76nm方向 B的作用下,化学负载的催化剂比相应的均相催化剂活性降低了约一个数量级,但相应聚合物的分子量却有较大幅度提高;欢迎下载精品学习资源b方向 A-图 3 苯- 硅杂化介孔材料的结构示意图欢迎下载精品学习资源2.1 引入聚合催化功能茂金属协作物是目前讨论最为活跃的一类金属.M有机化合物,对有机合成 和烯烃聚合 反应具有非常优异的催
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