羟基自由基对介孔分子筛结构和性能的影响

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1992年首次人工合成了介孔纯硅MCM-41分子筛,其孔径分布单一,可在1.3 nm50 nm范围内调控;具有高比表面积、规则孔道结构,骨架原子的限制比沸石的小,引起了人们普遍的关注。但是其晶化时间过长导致其合成周期过长,且在工业反应中酸活性位点较少酸性不足,这严重制约了其工业化生产与应用。如何既能缩短介孔分子筛的合成周期又能提高其酸性,这是一个极大地挑战。因此本论文在经典的MCM-41体系中将·OH自由基引入到介孔分子筛的合成体系,以期合成孔结构规整、稳定性好、酸性强、催化性好、周期短的介孔分子筛,为在工业上合成具有重要需求的介孔分子筛材料的改性、高效、节能和绿色合成开辟新的路径。具体研究结果如下:(1)通过直接紫外光照与添加H2O2、Na2S2O8自由基引发剂两种方法诱发羟基自由基合成了纯硅介孔分子筛MCM-41,并对其合成工艺以及酸性进行考察。结果显示羟基自由基引发下合成的纯硅介孔分子筛MCM-41,仅需3h,比传统水热条件下合成周期大大缩短,同时酸量也明显增多。在最佳的合成条件下,即紫外光照3 h,pH 10.5,紫外光照功率500 w,所合成的介孔纯硅MCM-41结晶度高、比表面积大、孔道规整、水热稳定性、热稳定性高;酸量多,B酸与L酸共存,且以L酸为主。当添加H2O2、Na2S2O8自由基引发剂时合成的介孔分子筛MCM-41酸性进一步增强。以大分子酯化反应——高藜芦酸与系列醇(甲醇、乙醇、正丁醇、正辛醇)反应,来评价催化剂的催化活性。在n(高藜芦酸):n(醇)=0.01:0.3,反应温度100℃,反应压力2.5 MPa,反应时间4 h,催化剂0.05g(催化剂占反应原料总质量1.2‰4.7‰)的条件下,羟基自由基引发合成的MCM-41的催化活性明显高于传统水热体系下合成的MCM-41及工业级ZSM-5,这也证明了羟基自由基引发合成的MCM-41的酸性明显高于传统水热体系下合成的MCM-41及工业级ZSM-5。(2)对自由基引发合成的介孔MCM-41分子筛酸性增强的机理进行了研究,采用NH3-TPD、Py-IR、ATR-FTIR、29Si MAS NMR、1H MAS NMR表征手段,证实是由于当羟基自由基引发合成MCM-41时,产物孪硅羟基增多,致使其酸性增强。(3)以CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、TEOS(正硅酸乙酯)、AlCl3为原料,乙醇、氨水为溶剂,在水热和紫外光照下两种条件下合成了新型介孔Al@SiO2@mSiO2微球并进行相应的基础表征。结果显示:水热体系和紫外光照下均能合成酸性介孔Al@SiO2@mSiO2微球,但水热体系下制得的微球的结晶度及分散性明显好于紫外光照下制得的介孔微球;水热体系下制得的微球的总酸量及L酸量均高于紫外光照下制得的介孔微球;紫外光照下制得的介孔微球中铝多以四配位的形式位于骨架中,远高于水热体系下制得的微球。同上所述,以大分子酯化反应——高藜芦酸与系列醇(甲醇、乙醇、正丁醇、正辛醇)反应,来评价催化剂的催化活性。结果表明,两种体系下合成的介孔微球的催化活性均明显高于传统水热体系下合成的MCM-41及工业级ZSM-5,这也证明了此类方法合成的介孔微球的酸性明显高于传统水热体系下合成的MCM-41及工业级ZSM-5。总之,本研究成功通过羟基自由基合成了孔结构规整、稳定性好、酸性强、催化性好、周期短的介孔纯硅MCM-41分子筛;并通过水热法和紫外光照合成了粒径均一、分散均匀、高骨架铝、酸性强的Al@SiO2@mSiO2微球。为酸性介孔MCM-41类分子筛的合成提供了一条新的途径。
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