李静
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刘粟侥
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张怀科
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吕恩静
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任鹏举
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任杰
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60979-2
美国Mobil公司于1972年首先开发的ZSM-5分子筛是一种高硅三维交叉孔道的沸石分子筛，其孔道结构具有良好的择形作用，因此被广泛应用于芳构化、异构化、烷基化和催化裂化等工业催化过程. ZSM-5分子筛的催化性能与其晶粒尺寸、酸性及形貌等密切相关.改变合成方法和制备参数可以合成出不同形貌的ZSM-5分子筛，但目前关于ZSM-5分子筛形貌对其物理化学性质和催化性能的影响报道较少.本文通过改变模板剂类型，采用水热合成法，制备出了类雪花状、椭圆柱状和夹心糖状三种不同形貌的ZSM-5分子筛.通过X射线荧光光谱(XRF)、N2物理吸脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、固体核磁共振(MAS NMR)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)及吸附吡啶的红外光谱(Py-IR)等手段对不同形貌分子筛的物理化学性质、形貌、晶体骨架结构和酸性进行了表征.采用浸渍法制备了Ca/HZSM-5催化剂，以甲醇制烯烃(MTO)为探针反应，着重研究了ZSM-5分子筛形貌和晶体结构特性对其酸性和催化性能的影响.合成的三种不同形貌的ZSM-5分子筛具有相近的SiO2/Al2O3比和比表面积. XRD结果表明，通过改变模板剂类型，可制得结晶度较好的ZSM-5分子筛，其中类雪花状分子筛的(101)晶面比例明显多于其它两种分子筛，而椭圆柱状分子筛则暴露更多的(020)晶面.27Al MAS NMR结果表明，绝大部分Al都以四配位形式存在于三种分子筛骨架中，而类雪花状分子筛的峰强度较低，这是由于Al的配位环境不同(偶极作用弱)，说明在类雪花状分子筛的交叉晶面中存在大量扭曲、错位和不对称结构；与其它两种分子筛相比，类雪花状分子筛的29Si MAS NMR谱峰宽化，进一步证明该分子筛骨架结构中存在扭曲、错位和不对称性. NH3-TPD结果表明，类雪花状HZSM-5分子筛的酸量明显高于其它两种分子筛，在SiO2/Al2O3比相近的情况下，类雪花状HZSM-5分子筛晶体骨架结构的错位、扭曲和不对称性造成了该分子筛中酸量增加；但Py-IR结果表明，类雪花状HZSM-5分子筛的酸量低于其它两种分子筛，这与NH3-TPD结果有差异，主要是由于类雪花状分子筛几何空间结构和晶界处的扭曲、错位对孔道结构的影响，不利于比NH3分子大的吡啶分子的扩散，进而影响了吡啶分子在酸性位上的吸附.三种不同形貌的ZSM-5分子筛经Ca改性后比表面积和微孔比表面积均明显下降，其中类雪花状和椭圆柱状催化剂的微孔比表面积下降幅度较大，外比表面积下降幅度较小.这是因为各分子筛的晶体结构和晶面的取向差异，导致Ca离子在分子筛上的扩散行为不同.同时，经Ca改性后，三个催化剂的总酸量均有下降，尤其是类雪花状分子筛酸量下降较为明显，表明其中Ca离子更容易扩散到分子筛孔道内，与更多的酸性位作用，而夹心糖状分子筛表面具有更多的Z字形孔道，不利于Ca离子扩散到分子筛孔道内，因而酸量下降较少. Py-IR结果表明， Ca改性后催化剂的总酸量下降，尤其是B酸明显降低， L酸略有增加，其中类雪花状ZSM-5分子筛催化剂的B酸量最低.甲醇制烯烃反应评价结果表明，随着反应温度升高，三个催化剂的总烯选择性和丙烯选择性均呈先升高后降低的趋势.类雪花状ZSM-5分子筛催化剂在甲醇转化率相近时具有最高的烯烃选择性，在反应温度为460°C时，总烯烃选择性为72%，丙烯选择性达39%.
关键词:
ZSM-5分子筛
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钙改性
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甲醇制烯烃
