邹成龙
,
沙观宇
,
黄曜
,
牛国兴
,
赵东元
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60855-5
提出了一种(NH4)2SiF6处理提高SBA-15介孔材料水热稳定性的改良方法.采用SBA-15介孔材料中预引入Al3+离子,再进行1%SiO2计量的(NH4)2SiF6处理,最后用强酸洗脱预引入的Al3+.结果显示,由此处理的SBA-15材料,其水热稳定性明显优于相同条件下未预引入Al3+时(NH4)2SiF6处理的样品.两者在800°C、100%水蒸气处理12 h后,虽然均能很好保持其介观有序度、形貌及六方孔道结构,但前者的比表面积可高达271 m2/g,而后者仅为224 m2/g.表明Al3+离子介入能大幅度提升(NH4)2SiF6处理对SBA-15介孔材料的稳定化作用.这主要得益于预引入的骨架Al3+在保障(NH4)2SiF6处理修复SBA-15材料表面缺陷和进行表面疏水化、提升其水热稳定性的同时,能减缓(NH4)2SiF6释放的多余F-离子对SBA-15材料骨架的刻蚀破坏作用. Al3+离子介入的这种提升作用与其引入方式和SBA-15材料所经受的温度密切相关.
关键词:
SBA-15沸石介孔材料
,
水热稳定性
,
氟硅酸铵
,
Al3+离子引入
,
补硅
石晓燕
,
贺泓
,
谢利娟
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60268-0
以Na+型和H+型ZSM-5为载体制备了Fe-ZSM-5催化剂并用于氨选择性催化还原(NH3-SCR)氮氧化物. Fe-H-ZSM-5在新鲜时和750 oC含10%水的空气中老化后，其SCR活性均优于Fe-Na-ZSM-5.表征结果显示， Fe-H-ZSM-5和Fe-Na-ZSM-5的Fe物种分布和酸性位有所不同.高温水热老化后Fe-H-ZSM-5分子筛骨架的脱铝较Fe-Na-ZSM-5严重.水和硫的存在对Fe-H-ZSM-5和Fe-Na-ZSM-5的SCR活性的影响相似，即降低了低温活性，略提高了高温活性. Fe-Na-ZSM-5表现出比Fe-H-ZSM-5更好的抗碳氢中毒性能.这两种催化剂的SO2和碳氢中毒是可逆的.
关键词:
铁-ZSM-5
,
氨选择性催化还原
,
氮氧化物净化
,
抗硫性能
,
水热稳定性
邹成龙
,
沙观宇
,
顾海芳
,
黄曜
,
牛国兴
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60857-9
提出了一种有效改善SBA-15介孔材料水热稳定性的简单溶剂热后处理方法. SBA-15材料经环己烷、甲苯和正丁醇等有机溶剂在157和190 oC密闭容器中分别处理6–24 h后,可呈现很好的水热稳定性.它们在800 oC经100%水蒸气处理12 h,依然能保持很好的有序介孔结构,比表面积可高达192–281 m2/g.其中,经环己烷190 oC溶剂热处理24 h的样品表现出最优的水热稳定性.溶剂热处理能显著提升材料孔壁中类似Si(OSi)2(OH)2和Si(OSi)3OH结构的Si–OH基间脱水,形成稳定的Si(OSi)4结构,从而有效减少了SBA-15材料孔壁的缺陷.由此,介孔材料的水热稳定性得到明显改善.溶剂热处理对SBA-15材料水热稳定性的这种提升作用与所用溶剂性质、处理温度以及SBA-15前驱体的类型密切相关.其中,以低沸点的非极性溶剂处理焙烧后的SBA-15材料表现出最好的稳定化效果.该方法具有简单、低能耗的特点,其在制备高水热稳定的有序硅基介孔材料上有很好的潜在应用价值.
关键词:
介孔材料
,
SBA-15分子筛
,
水热稳定性
,
溶剂热处理
,
脱水
庞磊
,
范驰
,
邵丽娜
,
易俊霞
,
蔡星
,
王健
,
康明
,
李涛
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60218-7
分别采用普通浸渍法(VWTi-con)和超声辅助浸渍法(VWTi-HUST)制备了V2O5/WO3-TiO2催化剂，并用X射线衍射、扫描电镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等技术对催化剂进行了表征，评价了水热老化前后两种催化剂的NH3-SCR脱除模拟柴油车尾气中NOx的反应活性，并与国外成熟商品催化剂进行了比较。结果表明，制备方法可影响V2O5/WO3-TiO2催化剂的水热稳定性， VWTi-con催化剂老化后几乎完全失活，而VWTi-HUST具有优异的水热稳定性，与国外成熟商品催化剂性能相当。与传统浸渍法相比，超声辅助浸渍法增强了活性物种和载体的相互作用，提高了活性组分的分散性等。采用该法制备的VWTi-HUST催化剂将具有较强的商业应用性；台架试验正在进行中，以期满足柴油车国IV排放标准的要求。
关键词:
选择性催化还原
,
氮氧化合物
,
钒基催化剂
,
水热稳定性
,
柴油机
王润琴
,
林荣和
,
丁云杰
,
刘佳
,
罗文婷
,
杜虹
,
吕元
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60202-3
通过两种水热处理方式，即800 oC水汽条件和100 oC沸水处理，考察了一锅法制备的FePO4–SBA-15(OP)的水热稳定性.水热处理前后样品的结构变化通过小角X射线衍射和N2物理吸附表征.研究发现，经水热条件下原位生成FePO4修饰后的OP样品具有良好的水热稳定性，并且FePO4的担载量(5%和40%)对OP样品的水热稳定性几乎没有影响.这与文献报道的金属担载量会影响介孔材料水热稳定性的结果不同.此外，还对比研究了浸渍法制备的FePO4/SBA-15(IMP)和商品SBA-15的水热稳定性.结果表明，各样品水热稳定性由强到弱的顺序是OP>IMP>>SBA-15. OP和IMP样品水热稳定性优于纯硅分子筛SBA-15的原因可能是FePO4保护层能抑制介孔材料在水热环境下的结构塌陷. OP样品水热稳定性较IMP样品好的原因可能主要是由于OP样品中存在稳定的Si–O–Fe键和较多的微孔.
关键词:
磷酸铁
,
SBA-15
,
介孔材料
,
水热稳定性
,
水蒸气
,
金属担载量
杜晓辉
,
李雪礼
,
张海涛
,
高雄厚
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60975-5
Y型分子筛是催化裂化(FCC)的速率控制组分。 FCC过程中,催化剂在反应器和再生器中往往面临高温水蒸气存在的苛刻环境。因此,分子筛的热稳定性和水热稳定性是催化剂最为关注的性能之一。由于FCC原料中通常含有V、Ni、Na、Fe等不同数量的金属污染物,会对催化剂造成污染及钝化。进料中存在的卟啉类有机复合物持续不断的沉积在催化剂表面,由于含钒的有机金属卟啉化合物在反应中转化形成V2O5, V2O5在水热条件下形成H3VO4组分,在高温水热气氛下加速分子筛骨架结构水解,破坏了Y型分子筛的晶体结构,从而降低了催化剂活性,影响产品选择性。稀土Y型分子筛在FCC中扮演重要的角色,稀土交换分子筛可以提高催化酸性、裂化活性和热与水热稳定性。此外, Na在高温水蒸气条件下也会对分子筛结构造成破坏。一方面,钠能够中和Y型分子筛B酸中心,降低催化裂化活性；另一方面,水热条件下钠的存在会加速破坏Y型分子筛的结构。有关Y型分子筛结构破坏的机理解释较多,然而该过程的动力学研究鲜有报道。反应动力学不能提供一个直接的反应机理,但是任何反应机理的提出必须符合反应动力学的数据。本文采用离子交换法分别制备了一系列不同Na含量USY,不同稀土含量USY,以及含钠和稀土的USY分子筛,通过固相动力学模型考察了上述Y型分子筛水热结构破坏活化能的变化及钒对其活化能的影响。结果表明, Y型分子筛的结构破坏存在三种路径,分别是脱铝、脱硅和La–O键的断裂。钒加速了分子筛骨架水解速率；钒钠具有协同作用,同时存在时对分子筛破坏作用更加显著； NaOH的形成是速率控制步骤；稀土稳定了分子筛的结构,降低了分子筛的水热脱铝速率；钒与定位于分子筛小笼里稀土作用,破坏分子筛的[RE–OH–RE]5+的RE–O键夺取分子筛的骨架氧,导致骨架结构崩塌。由于稀土本身稳定了分子筛的结构,同时钒稀土作用时形成稳定的REVO4固定了钒的流动性,因此钒对REY结构的影响是几种因素相互叠加和抵消的结果。
关键词:
Y型分子筛
,
钒
,
钠
,
稀土
,
水热稳定性
,
结构破坏
,
表观活化能
刘雪松
,
吴晓东
,
许腾飞
,
翁端
,
司知蠢
,
冉锐
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61109-3
V2O5/WO3-TiO2是 NH3-SCR领域应用最为广泛的商用脱硝催化剂,该催化剂具有良好的抗硫中毒性能；但其水热稳定性却相对较差,高温条件下运行会严重失活。这主要是由于锐钛型 TiO2在高温下发生团聚或相变,生成比表面积较小的晶红石型 TiO2,进而导致活性组分 V2O5和 WO3团聚或挥发。结局问题的关键是提高载体 TiO2的水热稳定性,而添加 Al, Zr和 Si等元素对 TiO2进行改性则被认为是最有效的方法之一。 Si改性的 V2O5/WO3-TiO2催化剂水热老化后仍然具有较高的比表面积、较多的酸性位和稳定晶体结构,但其作用机理仍不明确。本文分别考察了750oC水热老化处理24 h对V2O5/WO3-TiO2和V2O5/WO3-TiO2-SiO2催化剂结构和催化活性的影响,并采用 X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、拉曼光谱(Raman)和氨气程序升温脱附(NH3-TPD)等手段研究了 Si改善 V2O5/WO3-TiO2催化剂水热稳定性的原因。结果表明,水热老化后, Si改善的催化剂和载体的比表面积降幅较小。 XRD结果表明, Si添加到 TiO2中可形成 Ti-O-Si固溶体,固溶体的形成使 TiO2晶界能提高,可防止水热老化过程中 TiO2的团聚和相变,进而提高其水热稳定性。负载 V后, Si对载体的稳定作用则更加明显。这主要是因为低熔点的 V2O5会加剧载体的团聚和相变。结合 H2-TPR和 Raman结果可知, V2O5/WO3-TiO2催化剂水热老化后发生TiO2团聚或相变,进而导致活性组分多聚态 V2O5团聚生成 V2O5晶粒或 Ti-V-O固溶体,而后者对 SCR反应活性的贡献非常低；同时,水热老化还使得助剂 WO3从 WO3-TiO2中脱离出来,因而导致催化剂活性和选择性下降。然而由于V2O5/WO3-TiO2-SiO2催化剂载体具有良好水热稳定性,经水热处理后仍保持着锐钛晶型和较小的晶粒,抑制了活性组分V2O5的严重团聚或形成固溶体；同时还使得高分散态 V2O5轻微团聚形成主要活性组分多聚态 V2O5,因此催化活性反而提高。另外,由于V2O5/WO3-TiO2-SiO2催化剂中形成了Ti-O-Si固溶体,进而产生更多的酸性位,水热处理后,其酸性位降低幅度较小；而 V2O5/WO3-TiO2催化剂酸性位数量明显减少,这与其载体和活性组分的烧结和相变相关,这也是导致其失活的主要原因之一。
关键词:
V2O5/WO3-TiO2
,
硅
,
NH3-SCR
,
水热稳定性
,
多聚态钒
,
脱硝
丁键
,
薛腾
,
吴海虹
,
何鸣元
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62549-4
ZSM-5具有较高的催化活性和独特的择形选择性,因而被广泛用于精细化工和石油炼制等工业过程.但其较小的孔道尺寸导致其在反应中尤其在催化过程中的传质受到影响,从而严重影响催化剂寿命.为了解决反应过程中分子筛中底物及产物的扩散限制问题,近年来关于介微孔复合多级孔道分子筛的研究在分子筛合成领域引起了广泛兴趣,并取得一定进展.但直接合成法存在成本及复杂性问题,因此在量产的分子筛上进行后改性引入介孔表现出明显优势.在这一大类处理过程中,碱处理造介孔因成本低以及可操作性较高而备受青睐.但由于脱硅所形成的介孔往往无序,稳定性较差,因此提高其水热稳定性具有重要意义.文献已有较多报道通过磷元素修饰抑制分子筛在水热环境中脱铝,从而提高分子筛骨架稳定性.但传统的磷元素修饰一般采用后续浸渍法,过程繁琐.本课题组开发了一步法后处理制备高水热稳定多级孔ZSM-5分子筛,将脱硅过程与磷引入过程相结合,以四乙基氢氧化磷(TEPOH)为磷源,直接处理微孔分子筛得到含磷的多级孔分子筛.相比于传统的分子筛磷修饰过程,该磷物种在处理中优先交换分子筛骨架上铝原子附近用来平衡电荷的钠离子,从而增加了磷物种与铝物种相互作用的可能性,提高了稳化骨架的效果.基于此,本文利用氮吸附-脱附、元素分析、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)以及27Al和31P固体核磁(NMR)等一系列表征技术,证明该一步后处理法对分子筛催化性能的作用.SEM和XRD结果表明,分子筛在进行各种处理前后,相对结晶度和分子筛形貌变化不大,说明大部分微孔得到保留.TEM测试表明,经过该一步后处理法得到的分子筛实现了介孔的引入,介孔孔径在10–20 nm.元素分析结果表明,几乎所有的磷源物质在该过程中被引入到分子筛上,实现了介孔和磷物种的同时引入.NH3-TPD测试表明,含磷分子筛在老化前后较无磷分子筛具有更高的酸性位密度保留度,说明磷元素对分子筛上的酸性位起到了稳化作用.孔结构特性数据不仅说明了脱硅过程中成功引入介孔,而且含磷分子筛老化前后的介孔特性数据保留度明显高于无磷样品,实现了磷元素对介孔结构的稳化作用.27Al和31P NMR结果从理论上证明了该样品上磷元素对抑制骨架脱铝的稳化效应,证实了分子筛在处理后水热稳定性的提高.基于前期的研究工作,本文完善了磷元素对分子筛稳化作用的机理过程.TEPBr在水热活化过程中转变成磷酸盐,并修饰分子筛的骨架铝以及部分难以避免的非骨架铝.该过程中形成的磷铝物种在后续的水热老化过程中进一步修饰分子筛骨架铝,使骨架铝得到稳化.而在脱硅过程中存在的"反插铝"过程往往使大部分骨架铝位于介孔孔道中,磷元素与铝元素的相互作用同时也对介孔进行了稳化.通过正辛烯和1,3,5-三异丙苯的裂化测试发现,处理后的分子筛由于其优化后的孔道性能和酸性性质,大大提高了底物分子的转化率以及其自身的容碳能力,从而延长了催化寿命.
关键词:
脱硅
,
磷修饰
,
一步处理法
,
水热稳定性
,
烃类裂解
赵云
,
刘家旭
,
熊光
,
郭洪臣
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62579-2
水热稳定性是决定沸石分子筛工业应用价值的重要影响因素.众所周知,沸石材料的水热稳定性主要受其拓扑机构及骨架硅铝组成的影响,但同时也受其晶粒尺寸的影响.纳米级HZSM-5沸石虽然具有优异的催化性能及抗积碳失活性能,但由于晶粒尺寸较小,导致其水热稳定性较差.如何提高纳米HZSM-5沸石的水热稳定性,使其能够在高苛刻度的水热环境下(如催化裂化过程,催化剂再生需在高于700℃的水热条件下进行)得到应用,是十分有意义的课题.已有研究表明,磷改性可以提高ZSM-5沸石的水热稳定性,但多集中于采用磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵等无机磷化物进行改性,水热稳定性提高效果不能令人满意.我们研究组采用有机磷化合物磷酸三甲酯改性纳米HZSM-5沸石,在提高纳米HZSM-5沸石水热稳定性方面取得了较好的效果.采用X射线衍射(XRD)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、氮气物理吸附、氨气吸附红外光谱等手段对改性沸石进行了表征.结果表明,采用磷酸三甲酯改性的纳米HZSM-5沸石水热稳定性得到明显提高,沸石经苛刻的高温水蒸气处理(800℃,4 h)后,在相对结晶度、孔结构、酸度的保留度方面具有较大提高,提高幅度明显高于无机磷化合物磷酸氢二铵改性的纳米HZSM-5沸石.在上述研究基础上,我们采用固定床微反模拟流化床反应条件对磷改性纳米HZSM-5沸石上全馏分FCC汽油烯烃组分催化裂解反应进行了研究.结果表明,在反应温度540℃,剂/油比等于4,油剂接触时间约为4 s的条件下,全馏分FCC汽油在磷改性纳米HZSM-5沸石上经烯烃组分催化裂解反应后,油品烯烃含量(尤其是重烯烃)明显降低,生成了大量高附加值的C2–C4烯烃,同时油品中芳烃含量增加.与此同时,经烯烃组分裂解后的油品还呈现出辛烷值升高,硫含量降低的有利变化.可以看出,磷改性纳米HZSM-5沸石上全馏分FCC汽油烯烃组分催化裂解是解决FCC汽油烯烃含量高的一条有效途径,充分克服了现有FCC汽油加工工艺存在的一些缺陷,如S-zorb工艺功能单一、成本高;加氢脱硫工艺油品辛烷值损失大、氢耗高;以及OTA技术(本研究组之前的工作)烯烃转化率低、催化剂积碳失活快等缺陷.值得注意的是,磷酸三甲酯改性的纳米HZSM-5沸石在全馏分FCC汽油烯烃组分催化裂解反应性能方面,明显比磷酸二氢铵改性的纳米HZSM-5沸石表现优异.通过我们的研究可以认为,磷酸三甲酯改性将会为纳米HZSM-5沸石在高苛刻度水热条件下的应用提供更多的机会.
关键词:
水热稳定性
,
纳米HZSM-5
,
磷改性
,
烯烃催化裂解
,
FCC汽油
