本技术方案介绍了一种高效制备薄片状ZSM-5分子筛的方法,属于分子筛制备技术领域。该方法包括制备晶种液,以及将四丙基氢氧化铵溶液、去离子水、硅源和晶种液混合,通过特定步骤制得高分散薄片状ZSM-5分子筛。
背景技术
ZSM-5分子筛是由Mobil公司于20世纪70年代开发的一种微孔沸石,具有MFI拓扑结构。其独特的三维孔道结构、优异的理化性质以及可调的硅铝比,赋予了ZSM-5分子筛出色的产物选择性、合适的酸性、较大的比表面积和孔体积,以及良好的水热稳定性。这使得ZSM-5在催化裂化、烷基化、异构化和歧化等炼油及石油化工领域中得到了广泛应用,极大推动了石油化工工业的发展。
尽管ZSM-5分子筛的合成和应用在过去几十年取得了显著进展,但其长微孔孔道带来的扩散限制问题依然突出。这种扩散限制不仅降低了沸石活性体积的利用率,还限制了分子在催化和分离过程中的传输效率,特别是在受扩散限制严重的反应中表现尤为明显。因此,如何解决传统ZSM-5分子筛中扩散受限、转化率低、目标产物选择性差以及催化寿命短等问题,成为当前研究的重点。
为应对上述问题,研究人员在制备短孔道长度的片状ZSM-5分子筛方面进行了广泛探索。片状ZSM-5分子筛结合了多级孔分子筛和纳米分子筛的双重优势,既保留了微孔分子筛优异的催化、吸附和形状选择特性,又通过减少孔道长度提高了分子扩散性能,显著提升了反应活性和稳定性,因此成为极具研究和应用潜力的材料之一。
关于片状ZSM-5分子筛的合成,目前主要有以下几种策略:
后处理层状沸石前驱体法:M. Choi等人通过柱撑、剥层等后处理技术成功制备了厚度仅为2 nm的单层ZSM-5纳米片,但该方法工艺复杂、收率低且难以实现大规模合成【参考:M. Choi, et al. Nature, 2009, 461, 246-249】。
模板法:Tsapatsis等人通过模板剂合成了厚度为2 nm的纳米片,该方法有效减少了扩散限制,但模板剂价格昂贵且难以回收,限制了其大规模应用【参考:M. Tsapatsis,et al. Nature, 2017, 543, 690-694】。
化学刻蚀法:刘益等人通过TPAOH溶液对ZSM-5分子筛进行各向异性刻蚀,成功制备了厚度为25 nm的单分散片状分子筛。尽管该方法操作简单,但对低硅样品处理效果不佳,且刻蚀条件较为苛刻【参考:Y. Liu, et al. Sci. Adv., 2020, 6, eaay5993】。
添加剂辅助法:专利CN106542544A和CN105523569A介绍了通过双哌啶酮烷撑基阳离子和其他添加剂合成薄片状ZSM-5分子筛,但难以将样品的孔道长度控制在100 nm以下【参考:CN106542544A,CN105523569A】。
低温合成法:专利CN108275697B报道了一种使用氟化物在低温条件下合成ZSM-5纳米片的方法,但氟化物具有较大的毒性和腐蚀性,严重限制了其工业化应用【参考:CN108275697B】。
综上所述,当前的片状ZSM-5分子筛合成技术仍然面临一些关键挑战,包括难以精确控制厚度、使用有毒化学品、合成周期长以及成本高等问题。因此,开发绿色、高效、低成本的制备策略,对于ZSM-5分子筛在工业中的大规模应用具有重要意义。
实现思路