多级孔沸石分子筛的制备与催化

多级孔沸石分子筛的制备与催化

当需要把大小不同的固体颗粒分开时，人们马上就会想到筛子。现在已经找到一类叫做分子筛的物质，它们可以将混合物中的分子按其大小加以筛分。分子筛又称沸石，它在自然界里就存在，但目前在工业上用的大多是人工合成的。在外观上，分子筛是粉末状的固体，有光泽，天然沸石有颜色，合成沸石一般呈白色。在化学结构上，分子筛是一种结晶型的硅铝酸盐，其晶体结构中具有许多空穴，空穴之间有孔道(又称窗口)相连，凡直径比孔径小的“瘦”分子可以通过窗口进入空穴，而直径大于孔径的“胖”分子就只能被挡在窗口外面“望筛兴叹”。

虽然分子筛主要是由氧化硅、氧化铝所组成，但是随着其中所含氧化硅与氧化铝比例的变化，和添加其它助剂的作用，它们可以构架组建成数目众多的、具有不同结构和性能特性的分子筛。不同类型的分子筛，它们的孔道形状和大小可以有很大差别。同一类型分子筛的孔径和结构，也可以有不同。按照国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义,按照孔径大小可以将多孔材料分为三类:微孔(<2nm)、介孔(2~50nm)和大孔(>50nm)。微晶沸石，特别是硅铝酸盐沸石，以其均匀有序的微孔孔道(0.4~1.2nm)、丰富的酸性位、较大的比表面积、可交换的阳离子以及高的水热稳定性已被广泛地应用于吸附、分离、精细化工以及工业催化领域。

沸石作为一种绿色的非均相催化剂，目前超过90%的工业沸石已经应用到技术成熟的石化、炼油以及汽车尾气处理等行业。一方面，沸石较小的孔径在很多反应中提供了优异的择形性，丰富的L和B酸为催化反应提供了活性位，较大的比表面积有助于客体分子的吸附；另一方面，沸石较小的微孔尺寸严重阻碍了反应物的扩散和传质，因此在一些涉及大分子的催化反应中受到一定限制。为了解决这个问题，科研人员尝试合成孔径更大的催化材料。1992年，Mobile公司成功地合成出有序介孔材料，为制备介孔材料催化剂奠定了基础。它的出现突破了传统微孔沸石孔径对大分子的限制，很好地解决了分子扩散传质的问题，使其在大分子参与的催化反应中表现出一定的优势。尽管通过原位掺杂改性的方法可以进一步拓展介孔材料的应用,比如Cu掺杂在介孔Si材料中，可以制备无机的抗菌材料。但是由于介孔材料自身非晶化的骨架、较低的热稳定及水热稳定性、活性位点和酸性位的缺乏等，使

其在酸催化和高温反应中受到极大的限制。为了克服微孔沸石与介孔材料在催化领域所存在的问题，具有多级孔道结构沸石材料的研发成为备受关注的研究领域。

由于介孔材料的无定型孔壁的低水热稳定性和低酸性而严重地限制了其在催化反应中

的应用。因此，合成孔壁具有高水热稳定性和强酸性的介孔沸石有广泛的应用前景。Fang 等以CMK5为硬模板剂原位重结晶SBA—15合成了规整的介孔沸石，但是在透射电镜中并不能看到介孔沸石孔壁上存在微孔孔道。Tsapatiss等提出一种利用三维介孔碳为模板剂来合成介孔沸石的方法。Ｒyoo课题组利用亲水性两性有机硅烷作为软模板，合成了厚度仅为1.7nm 的六方有序介孔分子筛。然而，合成具有规整介孔结构的沸石仍然存在很大的挑战，因为介孔材料的孔道仅有2～3nm，容纳沸石仍然是比较困难的。