CN100450926C - 双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法 - Google Patents

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Abstract

一种双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，属于纳米技术领域。本发明方法为：取固体铁源物质，溶解于去离子水中，得到呈黄色的铁源溶液备用；在钛源物质中逐滴加入有机模板剂，搅拌，至溶液呈透明状，然后在该溶液中加入硅源物质，搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述铁源物质溶液逐滴加入到该悬浊状溶液中，搅拌，将最终所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后水热晶化，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，干燥、在空气氛围中焙烧，得到双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。本发明方法具有合成过程简便易行、周期短、晶化时间少等优点。

Description

双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法
技术领域
本发明涉及一种杂原子沸石分子筛合成方法，具体涉及一种双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法。属于纳米技术领域。
背景技术
自1971年首次报道合成含Be和P的沸石以来，杂原子沸石分子筛的合成研究逐渐受到人们的广泛关注。目前，对杂原子沸石分子筛合成方法的研究主要针对B、Ga、Ti、Fe等单杂原子掺杂型沸石分子筛材料，特别是Ti-Si沸石分子筛材料。最近，为了进一步拓展沸石分子筛的研究领域，在Ti-Si沸石分子筛骨架内掺杂其它杂原子的双活性中心沸石分子筛也日益引起相关研究领域研究工作者的的重视。
经对现有技术文献检索发现，马淑杰等在《高等学校化学学报》(1996年18卷4期504页)，发表了题为“双杂原子Fe-Ti-ZSM-5分子筛的合成与表征”的论文，采用的水热合成反应过程需要约10天时间，相对较长的晶化反应时间不仅使Fe-Ti杂原子沸石分子筛合成制备过程中所需实验设备消耗成本较高，而且在一定程度上制约了其在不同领域中地进一步实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，使其通过调变特定形貌与组成结构的沸石分子筛关键合成技术条件，将铁-钛双杂原子通过水热晶化过程替代无机沸石分子筛材料骨架结构中的四价硅原子，从而低成本、简便可控地制备得到双杂原子铁-钛全硅无铝沸石分子筛材料。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明方法包括以下步骤：
(1)称取固体铁源物质，溶解于去离子水中，得到呈黄色的铁源溶液备用；
(2)在钛源物质中逐滴加入有机模板剂，充分搅拌3-4小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入硅源物质，并快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将步骤(1)配制好的铁源物质溶液逐滴加入到该白色悬浊状溶液中，并迅速地充分搅拌，最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38-0.50
钛源物质：硅源物质    0.00090-0.020
铁源物质：硅源物质    0.00080-0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内于140-190℃下水热晶化24-72小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，清洗后的悬浮溶液至中性后，80-100℃下干燥，最后在500℃的空气氛围中焙烧3小时，得到一系列不同尺寸(300-500nm)的结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛。
所述的铁源物质，为三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁。
所述的钛源物质，为钛酸四乙酯、钛酸四正丁酯或钛酸异丙酯。
所述的有机模板剂，为四乙基氢氧化胺或四丙基氢氧化胺。
所述的硅源物质，为白炭黑或硅溶胶。
本发明通过水热晶化合成反应过程，使Fe3+-Ti4+同时替代骨架结构中Si4+，制备双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料，根据合成反应过程中使用的有机模板剂种类的不同，可以得到具有不同晶体形貌的双杂原子沸石分子筛材料。
对本发明合成得到的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料进行透射电镜测试，结果表明该分子筛材料的晶体颗粒粒度均匀、形状规则、没有胶态或无定形物质存在，产品为纯相、结晶度良好、晶体粒径约为300-500纳米。对本发明制备的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料进行XRD表征，结果显示该分子筛材料，具有特定形貌结构的沸石分子筛材料的全部特征衍射峰信号。同时，对本发明制备的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料进行紫外可见漫反射光谱表征，并与Fe2O3和TiO2相比较，表明该分子筛材料同相应铁氧化物和钛氧化物特征吸收峰位置存在显著差别，其在212nm和375nm附近的特征电子跃迁信号，充分证实该分子筛材料中的双杂原子铁-钛，不是以氧化物形式存在，这亦证明了双杂原子铁-钛已进入相应沸石分子筛骨架结构。
附图说明
图1根据本发明方法合成的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛的XRD表征
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解于去离子水中，得到浓度为呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四丙基氢氧化胺，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入重量百分比为99％的白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，在烘箱内140℃温度下水热晶化反应48小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，100℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为ZSM-5沸石分子筛，结晶度为98％，扫描电镜测得其直径为300纳米。
实施例2
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解于去离子水中，得到呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入15％四丙基氢氧化胺，溶液共20ml然后通过磁力搅拌器充分搅拌，3小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入硅溶胶作为硅源，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.45
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，在烘箱内160℃温度下水热晶化反应72小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，100℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为ZSM-5沸石分子筛，结晶度为95％，扫描电镜测得其直径为300纳米。
实施例3
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解于去离子水中，得到呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸异丙酯，逐滴加入25％四丙基氢氧化胺，溶液共13ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌，4小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.50
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内165℃温度下水热晶化反应48小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，80℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为ZSM-5沸石分子筛，结晶度为93％，扫描电镜测得其直径为500纳米。
实施例4
(1)称取固体Fe(NO3)3·9H2O，溶解于去离子水中，得到Fe(NO3)3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四丙基氢氧化胺，溶液共12.7ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3.5小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入质量百分比为99％的白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的Fe(NO3)3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内150℃温度下水热晶化反应56小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，90℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中同时固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为ZSM-5沸石分子筛，结晶度为96％，扫描电镜测得其直径为450纳米。
实施例5
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解于去离子水中，得到呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四乙基氢氧化胺，溶液共12.7ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌4小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入白炭黑作为硅源，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，在烘箱内140℃温度下水热晶化反应48小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，100℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛，结晶度为95％，扫描电镜测得其直径为350纳米。
实施例6
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解于去离子水中，得到呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸异丙酯，逐滴加入15％四乙基氢氧化胺，溶液共20ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3.5小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入质量百分比为99％的白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质    0.45
钛源物质：硅源物质      0.020
铁源物质：硅源物质      0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，在烘箱内160℃温度下水热晶化反应72小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，100℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛，结晶度为96％，扫描电镜测得其直径为450纳米。
实施例7
(1)称取固体FeCl3g，溶解于去离子水中，得到呈黄色的FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四乙基氢氧化胺，溶液共13ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌4小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入硅溶胶作为硅源，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的FeCl3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.50
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内165℃温度下水热晶化反应48小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，80℃下干燥，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛。结晶度为93％，扫描电镜测得其直径为450纳米。
实施例8
(1)称取固体Fe(NO3)3·9H2O，溶解去离子水中，得到Fe(NO3)3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四乙基氢氧化胺，溶液共12.7ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3.5小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入质量百分比为99％的白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的Fe(NO3)3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.020
铁源物质：硅源物质    0.018；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内150℃温度下水热晶化反应56小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，90℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛，结晶度为96％，扫描电镜测得其直径为400纳米。
实施例9
(1)称取固体FeCl3·6H2O，溶解去离子水中，得到FeCl3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四乙酯，逐滴加入25％四丙基氢氧化胺，溶液共12.7ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入白炭黑作为硅源，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的Fe(NO3)3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.00080
铁源物质：硅源物质    0.00090；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内190℃温度下水热晶化反应24小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，90℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛，结晶度为96％，扫描电镜测得其直径为500纳米。
实施例10
(1)称取固体Fe(NO3)3·9H2O，溶解去离子水中，得到Fe(NO3)3溶液备用；
(2)称取固体钛酸四丁酯，逐滴加入25％四丙基氢氧化胺，溶液共12.7ml，然后通过磁力搅拌器充分搅拌3小时，至溶液呈透明状；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入质量百分比为99％的白炭黑，快速搅拌，得到白色悬浊状溶液，将上述已配制好的Fe(NO3)3溶液逐滴加入到此溶液中，并迅速地充分搅拌，使最终得到的溶液中各组分的摩尔比为：
有机模板剂：硅源物质  0.38
钛源物质：硅源物质    0.10
铁源物质：硅源物质    0.090；
(4)将步骤(3)最终所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内150℃温度下水热晶化反应56小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，90℃下干燥，在空气气氛中500℃焙烧3小时，得到骨架结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料。经X射线衍射(XRD)分析确定上述材料的晶相为BETA沸石分子筛，结晶度为96％，扫描电镜测得其直径为400纳米。

Claims (4)

1、一种双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取固体铁源物质，溶解于去离子水中，得到呈黄色的铁源溶液备用；
所述的铁源物质，为三氯化铁或硝酸铁；
(2)在钛源物质中逐滴加入有机模板剂，搅拌，至溶液呈透明状；
所述的钛源物质，为钛酸四乙酯、钛酸四正丁酯或钛酸异丙酯；
所述的有机模板剂，为四乙基氢氧化胺或四丙基氢氧化胺；
(3)在步骤(2)最终所得溶液中加入硅源物质，搅拌，得到白色悬浊状溶液，将步骤(1)配制好的铁源物质溶液逐滴加入到该白色悬浊状溶液中，搅拌，最终所得溶液中，有机模板剂与硅源物质的摩尔比为0.38-0.50、钛源物质与硅源物质的摩尔比为0.00090-0.020、铁源物质与硅源物质的摩尔比为0.00080-0.018；
所述的硅源，为白炭黑或硅溶胶；
(4)将步骤(3)最终所得溶液完全转移至内衬聚四氟乙烯反应容器的不锈钢反应釜中，然后在烘箱内水热晶化，水热晶化温度为140-190℃，水热晶化时间为24-72小时，反应后，将反应产物利用去离子水反复清洗，至清洗后的悬浮溶液至中性后，干燥，最后在空气氛围中焙烧，得到双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料；
所述的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛材料，其尺寸为300-500nm，结构中固定掺杂有双杂原子铁-钛。
2、根据权利要求1所述的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，其特征是，步骤(2)中所述的搅拌，搅拌时间为3-4小时。
3、根据权利要求1所述的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，其特征是，步骤(4)中所述的干燥，其温度为80-100℃。
4、根据权利要求1所述的双杂原子铁-钛无铝沸石分子筛快速合成方法，其特征是，步骤(4)中所述的在空气氛围中焙烧，焙烧温度为500℃，时间为3小时。
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