中國石油大學（華東）「綜述」多級孔沸石催化劑的擴散與催化效率

2020-09-21 小材科研

近日，中國石油大學（華東）化學工程學院閻子峰教授領銜的催化材料團隊在介孔沸石工業化製備方面取得重要進展。題為《多級孔沸石催化劑的擴散與催化效率》（Diffusion and catalyst efficiency in hierarchical zeolite catalysts）的最新綜述文章發表在《國家科學評論》（National Science Review，NSR）上。閻子峰教授為通訊作者，化學工程學院畢業博士研究生彭鵬為論文第一作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。此項研究工作得到香港王寬誠教育基金會、中法分子篩聯合實驗室、國家高層次人才項目、國家重點研發計劃、山東省重點研發計劃和中國石油煉油催化劑重大專項等基金項目資助。

沸石由於其豐富的骨架拓撲結構、可調的化學組成、良好的水熱穩定性和表面酸鹼性，廣泛應用於石油煉製與化工、精細化學品合成、生物醫藥中間體製造、環境治理等多個領域。然而，工業沸石基催化劑本質上是由具有微孔結構的沸石組元與大孔結構的非沸石組元構成的微孔-大孔多級孔結構。如果在沸石組元中引入介孔結構，則該催化劑還具有微孔-介孔-大孔多級孔道結構。顯然，工業沸石基催化劑的多級孔結構存在於兩個層次中，即「沸石組元內部」層次和「工業催化劑各組元之間」層次。如何實現多級孔結構在上述兩個層次的理性構築，減輕反應物種在體相與催化劑活性中心之間的擴散阻力，顯著提高催化效率，已成為當代沸石與多孔材料化學領域的一大研究熱點。

針對上述問題，該科研成果從催化反應工程角度討論了如何通過多級孔結構的設計提高沸石的擴散性能與催化效率：根據催化效率提升的主要原因，將引入的沸石介孔結構劃分為「功能型介孔」（functional mesopore）、「輔助型介孔」(auxiliary mesopore)和「綜合型介孔」(integrated mesopore)三大類，並分別對其製備工藝、孔道結構表徵技術和催化反應性能進行了評述。

「功能介孔型」多級孔沸石材料的介孔結構厚度只相當於幾個晶胞的大小，因此相比傳統沸石，反應物種在微孔結構內部的擴散阻力大為降低。此時可以認為表面酸性位直接位於介孔的表面，這些具有表面酸性位的介孔孔壁可以直接進行催化反應。對於「輔助介孔型」多級孔沸石材料，它們的酸性活性位依然主要位於微孔沸石骨架結構內部。與外表面相連通的介孔提供了一段從沸石外表面擴散到酸性位的捷徑。因此對這類沸石基微介複合體材料，其效率因子的提升主要來自於擴散距離的縮短。「綜合介孔型」多級孔沸石同時含有「功能型」介孔與「輔助型」介孔。其基本的製備思路是將鹼溶處理法與有序介孔結構自組裝過程順序耦合。一方面通過鹼溶處理可以得到「輔助型」介孔，另一方面利用表面活性劑自組裝得到MCM-41等類型的「功能型」有序介孔結構。由於實現了「功能型」介孔與「輔助型」介孔的耦合，「綜合介孔型」多級孔沸石能夠同時實現反應物種擴散路徑的縮短和有效擴散係數的增大。

審稿專家對該科研成果給予高度評價，認為研究強調了多組元工業催化劑各組分之間孔道結構的匹配這一在工業催化劑設計中常常被忽略的問題，為工業催化劑各組元多級孔結構的理性設計提供了新的研究思路。

由閻子峰教授領銜的催化材料課題組長期從事多級孔結構材料構築與重油高效轉化領域的研究，在新型多級孔沸石設計構築、煉油工藝催化劑、化石和生物質資源的定向轉化、新能源材料等方面取得了一系列成果，部分成果已成功實現工業化應用，得到了國內外同行的高度評價。團隊成員作為主要完成人獲山東省自然科學一等獎2項、教育部高等學校自然科學二等獎1項、指導學生獲得全國百篇優秀博士論文提名獎2次、山東省優秀博士論文獎4次。

來源：中國石油大學（華東）

論文詳見：

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

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