催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (11): 2078-2087.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63884-6
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楚卫锋a,†, 刘晓娜b,d,†, 杨志强c, Nakata Hiroyae, 谭兴智c, 刘雪斌c, 徐龙伢a, 郭鹏b,$(), 李秀杰a,#(
), 朱向学a,*(
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Weifeng Chua,†, Xiaona Liub,d,†, Zhiqiang Yangc, Hiroya Nakatae, Xingzhi Tanc, Xuebin Liuc, Longya Xua, Peng Guob,$(), Xiujie Lia,#(
), Xiangxue Zhua,*(
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摘要:
分子筛是一类具有规则孔道或笼状结构的多孔材料, 因其独特的结构和可调的酸性而广泛用于石油化工、精细化学品合成、现代煤化工等诸多行业. 2006年Iglesia等在具有8元环孔道结构/侧口袋的FER和MOR分子筛上实现了无卤素添加、无贵金属存在条件下, 由二甲醚羰基化合成乙酸甲酯的反应. 乙酸甲酯通过进一步加氢可实现煤基乙醇的绿色生产. MOR分子筛通常具有较高的催化活性, 但失活迅速; FER分子筛表现出良好的催化稳定性, 但活性较低. 如何在保证FER分子筛稳定性的前提下, 进一步提升其羰基化活性是目前研究的热点. 前期理论和实验研究发现, 二甲醚羰基化反应活性与分子筛8元环孔道中的Brönsted酸位密度存在正相关. 因此, 通过优化合成条件, 选择性调控铝原子分布在“ferrierite”笼中, 可以提高FER分子筛的羰基化反应活性. 尽管研究者已在调节FER分子筛铝分布方面进行了大量研究, 但对于不同T位上Al原子的精准识别以及对应Brönsted酸位的可接触性还缺少系统和深入的认识.
本文选取了几种代表性模板剂, 分别在碱性和含氟体系下制备了系列FER分子筛样品, 利用Rietveld精修和模拟退火算法, 在原子水平揭示了模板剂种类以及合成介质变化对Al原子在不同T位分布的影响, 并结合二甲醚羰基化反应进行了结构和性能的关联. 首先选取不同尺寸大小的环状胺(环己胺、哌啶、吡啶、吡咯烷)和链状胺(乙二胺)合成了具有相似形貌、孔结构、酸密度的系列FER分子筛样品. 以CHA-Na-FER为例, PXRD精修结果显示, Na+(平衡35%的骨架负电荷)分布在10元环孔道中与O1形成氢键, 质子化的环己胺分布在“ferrierite”笼中, 并且环己胺上的N与O3形成氢键. 这说明与O1相连的T3位以及与O3相连的T1位都有可能是Al富集的位置. 为了进一步验证该结论, 本文还精修了吸附探针分子吡啶的样品CHA-Na-FER-Py-60h. 原粉以及吸附吡啶样品的精修结果表明, T1位和T3位是样品中铝富集的位置. 随后, 运用相同方法研究了Py-Na-FER, PI-Na-FER, En-Na-FER和Pyrr-HF-FER样品中的Al落位, 发现T1/T3位均是样品中Al富集的位置. 此外, 理论计算结果表明T1/T3位上Al原子的取代能较低, 说明Al优先取代T1/T3位上的Si, 这与精修结果相一致.
前期理论模拟结果表明, FER分子筛中T2-O5和T4-O7位点的CO插入反应能垒较低, 是二甲醚羰基化反应的活性位. 本文吡啶吸附实验、热重分析以及PXRD精修结果表明, FER分子筛中大部分Al富集在T1/T3位, 与T2/T4位相关的Brönsted酸约占18%~30%. 最后, 对各样品进行了二甲醚羰基化反应评价, 结果显示PI-Na-FER, Py-Na-FER, En-Na-FER和CHA-Na-FER催化剂的乙酸甲酯生成速率相近, 约为0.10 mol/(mol H+∙h). Pyrr-HF-FER催化剂的乙酸甲酯生成速率最高, 可达到0.16 mol/(mol H+∙h), 这可能是由于Pyrr-HF-FER催化剂具有更多T2/T4位相关的Brönsted酸. 虽然Pyrr-HF-FER催化剂的乙酸甲酯生成速率较其他四个催化剂有一定提升, 但其仍远低于MOR分子筛上乙酸甲酯生成速率(0.40 mol/(mol H+·h)).
综上, 有机模板剂的选择与合成介质的改变对FER分子筛中Al分布的调控作用是有限的, 即Al原子总是优先分布于T1/T3位. 而与T1和T3位相关的Brönsted酸位不是二甲醚羰基化反应的活性位点. 因此与MOR相比, FER分子筛在二甲醚羰基化反应中表现出较低的催化活性.