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催化材料团队在介孔沸石工业化制备方面取得重要研究成果

来源:金沙澳门游戏网址 发布时间:2020-09-10作者:淡天俊浏览次数:10


近日,《国家科学评论》(National Science ReviewNSR)刊发了我校金沙集团阎子峰教授催化材料团队在沸石催化剂工业化应用方面,题为《多级孔沸石催化剂的扩散与催化效率》(Diffusion and catalyst efficiency in hierarchical zeolite catalysts)的最新综述文章。论文第一作者为我校金沙集团毕业博士研究生彭鹏,金沙集团阎子峰、敏托娃教授为共同通讯作者,金沙澳门游戏网址为第一通讯单位。


沸石由于其丰富的骨架拓扑结构、可调的化学组成、良好的水热稳定性和表面酸碱性,广泛应用于石油炼制与化工、精细化学品合成、生物医药中间体制造、环境治理等多个领域。然而,工业沸石基催化剂本质上是由具有微孔结构的沸石组元与大孔结构的非沸石组元构成的微孔-大孔多级孔结构。如果沸石组元具有多级孔结构,则该催化剂还具有微孔-介孔-大孔多级孔道结构。显然,工业沸石基催化剂的多级孔结构存在于两个层次中,即沸石组元内部层次和工业催化剂各组元之间层次。如何实现多级孔结构在上述两个层次的理性构筑,减轻反应物种在体相与催化剂活性中心之间的扩散阻力,显著提高催化效率,已成为当代沸石与多孔材料化学领域的一大研究热点。

针对上述问题,我校阎子峰教授与敏托娃教授团队,从催化反应工程角度讨论了如何通过多级孔结构的设计提高沸石的扩散性能与催化效率:他们根据催化效率提升的主要原因,将引入的沸石介孔结构划分为“功能型介孔”(functional mesopore)、辅助型介孔”(auxiliary mesopore)综合型介孔”(integrated mesopore)三大类,并分别对其制备工艺、孔道结构表征技术和催化反应性能进行了评述。

《国家科学评论》(National Science Review)于2014年创刊,由中国科学院主管、科学出版社主办的我国第一本英文综合性期刊。致力于全方位、多角度报道中外自然科学领域的重要成就。根据科睿唯安发布的2019年度期刊引证报告,《国家科学评论》的最新影响因子为16.693。在全球综合性学术期刊中,位列NatureScience之后,排名第三。审稿专家认为,该研究强调了多组元工业催化剂各组分之间孔道结构的匹配,这一在工业催化剂设计中常常被忽略的问题。为工业催化剂各组元多级孔结构的理性设计提供了新的研究思路。

此项研究工作得到香港王宽诚教育基金会、中法分子筛联合实验室、国家高层次人才项目、国家重点研发计划、山东省重点研发计划和中国石油炼油催化剂重大专项等基金项目的资助,论文详见:

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa184/5895361 

在上述思想指导下,阎子峰催化材料团队进行了一系列多级孔沸石的工业化制备与应用研究。ZSM-5是一种具有两套相互连通的十元环孔道结构的沸石材料,孔道直径约0.54nm。由于其适宜的酸密度以及孔结构特征,ZSM-5被广泛应用于催化裂解多产低碳烯烃的工艺,满足日益增长的丙烯等低碳烃类的旺盛需求。随着世界范围内原油的日益重质化劣质化,传统的ZSM-5沸石由于孔道狭窄,容易造成催化剂表面焦炭沉积以及失活。因此,在当今炼化一体化的大趋势下,通过引入介孔,合成多级孔ZSM-5沸石,既能充分利用沸石微孔的反应活性与择形性,又能通过引入的介孔体系显著提高传质扩散能力,从而显著提高ZSM-5在催化裂解多产低碳烯烃方面的性能。

目前,多级孔ZSM-5的合成通常需要精心设计的介孔模板剂指导介孔结构的形成,因而成本高昂不利于大规模工业化应用。针对上述问题,阎子峰催化材料团队经过多年潜心研究,成功开发出了无介孔模板剂引入的酸碱耦合后处理工艺。该方法首先通过碱试剂与ZSM-5作用得到相互连通的介孔结构,在通过酸试剂进一步对得到的介孔结构进行疏通改性。与传统模板法制备的多级孔ZSM-5的工艺相比,该工艺采用的酸碱试剂价格低廉,工艺条件温和,操作简单,易于工业化应用。最近,该团队在“中国石油炼油催化剂重大专项”支持下,与中国石油兰州化工研究中心和中国石油兰州石化催化剂厂合作,成功进行了酸碱耦合后处理改性介孔ZSM-5沸石的工业化试验。工业规模试验结果与实验室小试及中试结果相吻合,各项技术指标与传统模板法得到的介孔ZSM-5沸石相当。