CN103183358A

CN103183358A - 一种zsm-5分子筛的制备方法

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Publication number: CN103183358A
Application number: CN2013100205308A
Authority: CN
Inventors: 王一萌; 吴瑛; 何鸣元
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103183358B

Abstract

本发明公开了一种ZSM-5分子筛的制备方法，该方法用极性分子即十六烷基三甲基溴化铵对层状硅酸盐Na-kenyaite进行插层，得到Na-kenyaite-CTAB插层复合物，再以四烷基氢氧化铵为模板剂合成ZSM-5型分子筛，将产物进行剥层处理后得到薄片状的ZSM-5分子筛晶体。本发明通过插层过程使得层间距扩大并保持一定的距离避免相互融合，在晶化过程中，控制生长速度，使分子筛能沿着层状物的层板成核生长，反应结束后，除去模板剂和极性分子，最终在得到分子筛的同时，层状物的二维结构也得以保留，大大提高了大分子反应物与活性酸中心的可接触性，改善反应性能。

Description

一种ZSM-5分子筛的制备方法

技术领域

本发明涉及一种分子筛的制备方法，具体是一种以层状硅酸盐kenyaite为原料，合成具有二维层状结构的ZSM-5分子筛，插入氧化硅物种后，焙烧得到完美保留层状有序结构的自柱撑的ZSM-5分子筛；若将产物直接进行剥层处理后，可以得到薄片状ZSM-5晶体。

背景技术

由于层状硅酸盐中含有可交换的层间阳离子和硅羟基反应位点（Si-OH/SiO^-），它们展现出丰富多彩的反应特性。由于层间阳离子的存在，使得其它无机/有机分子通过交换能够进入层间，称之为插层和离子交换反应。层间的硅羟基与合适的官能团发生反应形成共价键，类似的反应有缩聚，硅烷化和酯化等。

在层状硅酸盐的研究中，研究做多的是层间环境的修饰，通过插层和嫁接的过程将新的官能团引入层间，在一定反应条件下新官能团分子与层间硅羟基发生相互作用而固定在层间，这种相互作用可以是共价键，正负电荷吸引和氢键等等，得到的插层/嫁接复合物具有特殊的功能。Kuroda等人以kanemite为起始原料，将十六烷基三甲基铵离子（C₁₆TMA）通过离子交换进入层间，得到中间体C₁₆TMA-kanemite，之后通过二次交换和酸处理过程将聚氧乙烯烷基醚（Poly(oxyethylene) alkyl ether, C₁₆EO₁₀）引入层间，得到C₁₆EO₁₀-kanemite复合物，它对水和癸烷有可逆吸附作用（Takahashi. N.;Tamura;H;Mochizuki,D;Kimura, T.;Kuroda, K. Langmuir 2007, 23, 10765.）。作者认为C₁₆TMA，C₁₆EO₁₀以及层间硅物种的相互作用促进C₁₆EO₁₀有效进入层间。

许多新型的层状结构材料，比如PLS, HLS, KLS等等都能通过这些层状硅酸盐转化而来，在这个过程中，层状硅酸盐在碱性条件下全部溶解，只是充当硅源的作用。在Na-kanemite–TMAOH–water–1,4-dioxane的合成体系中，Kooli发现kanemite在150℃下能转化成一种新的层状硅酸盐结构—KLS-3。KLS-3的生成是通过kanemite层结构的破坏，在TMA的导向作用下重结晶得到的（Kooli, F. J. Mater. Chem. 2002, 12, 1374.）。

层状硅酸盐也能合成有序介孔材料，特别是kanemite，它的层板厚度最小，所以具有一定的“柔韧性”，能够在表面活性剂的“引导”下弯曲成与表面活性剂胶束尺寸相近的介孔结构。Inagaki等人以十六烷基三甲基铵（C₁₆TMA）作为插层试剂，通过离子交换进入kanemite层间，得到的C₁₆TMA/kanemite插层复合物在高温下焙烧除去有机物，最后得到具有规整孔结构的产物。Kimura等人亦是采用kanemite和C₁₆TAM这个反应体系，在pH < 6的情况下合成了一种具有正方形的孔结构介孔材料—KSW2（Kimura, T.; Kamata, T.; Fuziwara, M.; Takano, Y.; Kaneda, M.; Sakamoto, Y.; Terasaki, O.; Sugahara, Y.; Kuroda, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3855.）。

层状硅酸盐的另一用途是合成各种类型的分子筛，如MFI、MEL、FER和MOR等。Schwieger等人利用常见的层状硅酸盐（kanemite），经过模板剂TEAOH插层后，采用蒸汽辅助的干胶法合成Beta分子筛（Selvam, T.; Aresipathi, C.; Mabande, G. T. P.; Toufar, H.; Schwieger, W. J. Mater. Chem. 2005, 15, 2013.）。与传统的合成方式相比，该方法所用的模板剂TEAOH量较少（TEAOH/SiO₂ = 0.11–0.23），合成成本低廉。Mikamizu等人以kanemite为原料，在TPAOH的导向下合成Silicalite-1（Salou, M.; Kiyozumi, Y.; Mizukami, F.; Kooli, F. J. Mater. Chem. 2000, 10, 2587.）。作者发现在离子交换过程中，kanemite的层结构被破坏地越多，产物的结晶度越好。该课题组也合成过含铝的magadiite，并以哌啶为模板剂，通过重新晶化得到高硅FER(Si/Al=15-18)（Pál-Borbély, G.; Beyer, H. K.; Kiyozumi, Y.; Mizukami, F. Microporous Mesoporous Mater. 1998, 22, 57.）。

由此可见，在层状硅酸盐合成分子筛的工作中，层状物只是起到提供硅源的作用，层板上的硅物种在碱的作用下溶解下来，与体相中的铝源和模板剂相互作用，发生结构重排而得到不同类型的分子筛。所以层结构都是无法保留的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种ZSM-5分子筛的制备方法，该方法在得到分子筛的同时，层状物的二维结构也得以保留，大大提高大分子反应物与活性酸中心的可接触性，改善反应性能。

本发明的目的是这样实现的：

一种ZSM-5分子筛的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

a）极性分子对层状硅酸盐Na-kenyaite进行插层

将层状硅酸盐Na-kenyaite和极性分子分散在水中，混合物置于20～100℃加热并搅拌，过滤、干燥后得到插层样品；其中层状硅酸盐Na-kenyaite与水的质量比为0.02～0.10；层状硅酸盐Na-kenyaite与极性分子的质量比为0.5～2.0；

b）制备ZSM-5型分子筛

将步骤a）所得的插层样品与偏铝酸钠固体、去离子水和有机模板剂混合，在室温下搅拌使其混合均匀，在高温下晶化3～15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得ZSM-5型分子筛；其中有机模板剂与氧化硅的摩尔比为0.05～0.20；体系硅铝比为40～200；H₂O/SiO₂比为5～30；所述有机模板剂为四丙基氢氧化铵(TPAOH)；

c）将ZSM-5型分子筛进行柱撑

取步骤b）分子筛产物与正硅酸四乙酯（TEOS）混合，于室温下搅拌12小时，接着抽滤，用去离子水洗涤一次，放于室温下干燥；接着将干燥的样品与去离子水按质量比1 : 5～20的比例混合，置于90℃油浴下加热搅拌12小时后，抽滤、洗涤、干燥，最后将样品在550℃下焙烧4小时，得柱撑的ZSM-5型分子筛；其中TEOS与分子筛的质量比为5～10；

d）将ZSM-5型分子筛进行剥层

将步骤b）分子筛产物与TPAOH溶液和CTAB溶液混合，加热搅拌，超声，离心，洗涤，最后在80℃下干燥，得薄片状ZSM-5型分子筛晶体；其中CTAB溶液的浓度为10～50 wt.%，TPAOH溶液的浓度为15～25 wt.%，剥层温度为60～100℃；ZSM-5分子筛，TPAOH和CTAB的质量比为1:0.3～0.5:1.0～5.0。

所述步骤a）的极性分子为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）或十六烷基三甲基氯化铵（CTACl）。

本发明以层状硅酸盐Na-kenyaite为原料，通过插层过程使得层间距扩大并保持一定的距离避免相互融合，在晶化过程中，控制生长速度，使分子筛能沿着层状物的层板成核生长，反应结束后，除去模板剂和极性分子，最终在得到分子筛的同时，层状物的二维结构也得以保留，大大提高了大分子反应物与活性酸中心的可接触性，改善反应性能。

附图说明

图1中a为实施例1层状硅酸盐Na-kenyaite的XRD图，b为实施例1CTAB插层后的Na-kenyaite的XRD图，c为实施例1晶化15天后产物的XRD图；

图2为实施例1柱撑后产物的XRD图；

图3中a为实施例1产物剥层前(a) 的XRD图，b为实施例1产物剥层后的XRD图；

图4中a为实施例1产物剥层前的SEM图，b为实施例1产物剥层后的SEM图，c、d为实施例1产物剥层后所得薄片ZSM-5晶体的TEM图；

图5为对比例1中产物XRD图；

图6为对比例2中产物的XRD图谱；

图7为对比例3中产物的XRD图谱；

图8为对比例4中产物的XRD图谱。

具体实施方式

实施例1

a、将8.0 g层状硅酸盐Na-kenyaite和5.8 gCTAB分散在160 g水中，混合物置于70℃下加热并搅拌3小时后，过滤、干燥即得插层样品。（X射线图谱如图1的b所示）。

b、取3.0 g步骤a所得的插层样品与0.08 g的偏铝酸钠固体（使体系硅铝比为80），9.0 g去离子水和2.7 g TPAOH混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在150℃下晶化15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体即为ZSM-5型分子筛（X射线图谱如图1的c所示）。

c、将步骤b所得的产物进行柱撑：取1.0 g步骤b产物与10.0 g正硅酸四乙酯（TEOS）混合，于室温下搅拌12小时，接着抽滤，用少量去离子水洗涤一次，放于室温下干燥。接着将干燥的样品与去离子水混合（质量比为1:10），置于90℃油浴下加热搅拌12小时后，抽滤、洗涤、干燥，最后将样品在550℃下焙烧4小时，得柱撑的ZSM-5型分子筛（X射线图谱如图2所示）。

d、将步骤b所得产物与2 g TPAOH (25 wt.%)溶液和10 gCTAB溶液(30 wt.%)混合，在80℃下加热搅拌，超声，离心，洗涤，最后产物在80℃下干燥，得剥层产物即薄片状ZSM-5型分子筛晶体（X射线图谱如图3的b所示）。

实施例2

按照实施例1的方法合成ZSM-5型分子筛，唯一不同的是极性分子为十六烷基三甲基氯化铵。

对比例1

按实施例1的方法制备，唯一不同的是将Na-kenyaite直接与TPAOH和去离子水混合后升温晶化，而不经过插层反应。（产物X射线图谱如图5所示。）

对比例2

a、极性分子对层状硅酸盐Na-magaditte进行插层：将8.0 g层状硅酸盐和5.8 gCTAB分散在160 g水中，混合物置于70℃下加热并搅拌3小时后，过滤、干燥即得插层样品。

b、取4.0 g步骤a所得的插层样品，9.8 g去离子水和1.5 g TPAOH混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在150℃下晶化15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体（X射线图谱如图6所示）。

对比例3

a、极性分子对层状硅酸盐Na-kanemite进行插层：将8.0 g层状硅酸盐和5.8 g CTAB分散在160 g水中，混合物置于70℃下加热并搅拌3小时后，过滤、干燥即得插层样品。

b、取3.0 g步骤 a所得的插层样品，4.5 g去离子水和0.7 g TPAOH混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在150℃下晶化15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体（X射线图谱如图7所示）。

对比例4

a、极性分子对层状硅酸盐Na-kenyaite进行插层：将8.0 g层状硅酸盐分散在10 g 0.1mol/L 的CTAB水溶液中，混合物置于70℃水浴中加热搅拌约3小时后得到Na-kenyaite-CTAB插层复合物。

b、制备ZSM-11型分子筛：取3.0 g步骤 a所得的插层样品与0.08 g的偏铝酸钠固体，7.7 g去离子水和2.4 g TBAOH混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在150℃下晶化 15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体即为ZSM-11型分子筛（X射线图谱如图8所示）。

对比例5

a、将8.0 g层状硅酸盐分散在20 g 0.2mol/L 的CTAB水溶液中，混合物置于70℃水浴中加热搅拌约3小时后得到Na-kenyaite-CTAB插层复合物。

b、制备Beta型分子筛：取3.0 g步骤1所得的插层样品与0.08 g偏铝酸钠固体，8.4 g去离子水和1.4 g TEAOH混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在145℃下晶化15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体即为Beta型分子筛。

对比例6

a、将8.0 g层状硅酸盐Na-kenyaite分散在0.1mol/L 的CTAB水溶液中，混合物置于70℃水浴中加热搅拌约3小时后得到Na-kenyaite-CTAB插层复合物。

b、制备FER型分子筛：取3.0 g步骤a所得的插层样品与0.26 g偏铝酸钠固体，9.2 g去离子水和0.87 g哌啶混合，在室温下搅拌使体系混合均匀，最后在175℃下晶化3天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得白色固体即为FER型分子筛。

从图1中b可见，经过极性分子插层后的Na-kenyaite在低角度（2θ<3^o）处有一尖峰，这是因为极性分子的插入扩大了层状硅酸盐的层间距而造成的，经过晶化后（图1(c)），产物不仅有ZSM-5型分子筛的特征峰，并且小角度的峰仍旧保持，这说明本发明在得到ZSM-5型分子筛的同时，层状物的二维层结构仍旧保持，所以产物经过剥层后，能得到薄片状形貌的ZSM-5型分子筛晶体（图4(b)）。

对比例1（图5），用不经过极性分子插层的Na-kenyaite为原料，只能得到ZSM-5型分子筛的特征峰，而小角度的峰消失，这说明Na-kenyaite在晶化过程中只是充当反应所需要的硅源，层结构完全被破坏。

从图7可见，当用Na-kanemite为原料时，只能得到ZSM-5型分子筛的特征峰，小角度的峰消失，这说明在晶化过程中，层状物Na-kanemite的二维层结被完全破坏。

从图8可见，当用TBAOH为模板剂时，得到的是ZSM-11型分子筛晶体。

Claims

1.一种ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

a）极性分子对层状硅酸盐Na-kenyaite进行插层

将层状硅酸盐Na-kenyaite和极性分子分散在水中，置于20～100℃加热并搅拌，过滤、干燥后得到插层样品；其中层状硅酸盐Na-kenyaite与水的质量比为0.02～0.10；层状硅酸盐Na-kenyaite与极性分子的质量比为0.5～2.0；所述极性分子为十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵；

b）制备ZSM-5型分子筛

将步骤a）所得的插层样品与偏铝酸钠固体、去离子水和有机模板剂混合，在室温下搅拌使其混合均匀，在高温下晶化3～15天，得到的产物经过分离和洗涤后，在80℃下干燥得ZSM-5型分子筛；其中有机模板剂与氧化硅的摩尔比为0.05～0.20；体系硅铝比为40～200；H₂O/SiO₂比为5～30；所述有机模板剂为四丙基氢氧化铵；

c）将ZSM-5型分子筛进行柱撑

取步骤b）分子筛产物与正硅酸四乙酯混合，于室温下搅拌12小时，接着抽滤，用去离子水洗涤一次，放于室温下干燥；接着将干燥的样品与去离子水按质量比1 : 5～20的比例混合，置于90℃油浴下加热搅拌12小时后，抽滤、洗涤、干燥，最后将样品在550℃下焙烧4小时，得柱撑ZSM-5型分子筛；其中正硅酸四乙酯与分子筛的质量比为5～10；

d）将ZSM-5型分子筛进行剥层

将步骤b）分子筛产物与TPAOH溶液和CTAB溶液混合，加热搅拌，超声，离心，洗涤，最后在80℃下干燥，得薄片状ZSM-5分子筛晶体；其中CTAB溶液的浓度为10～50 wt.%，TPAOH溶液的浓度为15～25 wt.%，剥层温度为60～100℃；ZSM-5分子筛、TPAOH和CTAB的质量比为1:0.3～0.5:1.0～5.0。