CN106587100A - 以单一小分子有机模板剂合成薄片状zsm‑5沸石分子筛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分子筛形貌调控制备方法，旨在提供一种以单一小分子有机模板剂合成薄片状ZSM‑5沸石分子筛的方法。包括步骤：将水、硅源、碱源和模板剂混合，或者再添加铝源后继续混合至均匀；然后置于反应釜中，晶化反应所得产物抽滤、烘干，即得到ZSM‑5沸石分子筛的原粉；本发明避免了高成本有机模板剂的使用，极大地降低了合成的成本；所合成的产品具有特殊的片状形貌，厚度20‑30nm，片与片之间交叉生长。产品不仅保持了良好的结晶度和纯度，具有良好的催化反应活性；整个生产过程中所采用的无机原料和有机模板剂均对环境友好，价格较低廉，因而本发明在实际化工生产领域具有重要意义。

Description

以单一小分子有机模板剂合成薄片状ZSM-5沸石分子筛的 方法
技术领域
本发明属于分子筛形貌调控制备方法，特别涉及一种新型廉价单一小分子有机模板合成薄片状ZSM-5沸石分子筛的方法。
背景技术
ZSM-5沸石是现阶段工业上广泛使用的具有三维十元环孔道结构的高硅沸石，在烷基化反应，重油裂解脱蜡以及甲醇转化制汽油等催化过程中具有广泛的应用。因此，研究ZSM-5沸石的合成具有非常重要的意义。而在合成过程中，对其形貌调控和孔道结构调控则能够很好地提高其催化性能，因而，研究人员此方面做了大量地研究工作。2000年，Jacobsen等首次采用硬模板法合成了介孔ZSM-5沸石；2006年，Xiao等人首次采用软模板法合成了ZSM-5沸石。这两种方法需要两种模板剂的存在下才能实现合成，合成成本较高。2009年，Ryoo等人设计了一种长链的有机模板成功地合成了具有大量介孔的纳米薄片状ZSM-5沸石，然而其合成模板剂的步骤极其复杂，极大地增加了合成成本。
在以上的合成中，模板剂的成本限制了ZSM-5沸石应用。为了降低合成ZSM-5沸石的成本，人们继续在模板剂方面进行了大量的研究。2012年，Tsapatsis等人使用小分子氢氧化四丁基膦为模板剂成功合成出了具有纸牌屋形貌的2nm厚的MFI沸石，并提出这种形貌的形成是由于交叉处ZSM-11沸石的存在，同时此沸石在大分子转化反应中显示了优异的催化活性。值得指出的是，此模板剂是已经商业化的廉价易得的模板，然而，含膦有机模板剂在焙烧过程中膦物种会残留在孔道中会影响其催化性能。Okubo等人设计了一种具有两聚体的四丙基铵作为小分子有机模板剂，合成了具有90度片状交叉的ZSM-5沸石，并指出两聚体四丙基铵的存在是合成这类形貌的ZSM-5沸石的关键，在此合成中，铝原子很难进入沸石的骨架中，很大程度地影响了其进一步应用。
上述合成ZSM-5沸石都可归因于有机模板剂的设计。因此，设计一种新型廉价的单一小分子有机模板来合成高性能的ZSM-5沸石具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供以单一小分子有机模板剂合成薄片状ZSM-5沸石分子筛的方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种以单一小分子有机模板剂合成薄片状ZSM-5沸石分子筛的方法，包括以下步骤：
将水、硅源、碱源和模板剂混合，或者再添加铝源后继续混合至均匀；然后置于反应釜中，在100～200℃晶化12h～10d，产物抽滤、烘干，即得到ZSM-5沸石分子筛的原粉；
控制各反应原料的添加量使其摩尔比范围为：8～50H2O∶SiO2∶0～0.025Al2O3∶0.1～0.5(Na2O或K2O)∶0.1～0.5模板剂；所述模板剂为3,5-二甲基-N-丁基碘化吡啶。
本发明中，所述铝源为硫酸铝或偏铝酸钠；硅源为固体硅胶或二氧化硅含量为30％的硅溶胶；碱源为氢氧化钾或氢氧化钠。
本发明进一步提供了制备用于薄片状ZSM-5沸石分子筛合成的模板剂的方法，包括步骤：向将15g的3,5-二甲基吡啶中加入30ml乙醇，然后再加入30.9g碘代正丁烷，在80℃油浴中搅拌回流反应12h；反应结束后，向反应产物中加入乙醚，产生的白色固体沉淀经过滤、干燥，即为模板剂。
本发明的有益效果在于：
1、利用廉价的单一小分子有机模板来合成高性能的ZSM-5沸石，避免了高成本有机模板剂的使用，极大地降低了合成的成本；所合成的产品具有特殊的片状形貌(厚度20-30nm，片与片之间交叉生长)。
2、与现有技术相比，本产品不仅保持了良好的结晶度和纯度，具有良好的催化反应活性；整个生产过程中所采用的无机原料和有机模板剂均对环境友好，价格较低廉，因而本发明在实际化工生产领域具有重要意义。
附图说明
图1：新型廉价的单一小分子有机模板合成的ZSM-5沸石的XRD谱图。
图2：新型廉价的单一小分子有机模板合成的ZSM-5沸石扫描电镜照片(低倍)。
图3：新型廉价的单一小分子有机模板合成的ZSM-5沸石扫描电镜照片(高倍)。
具体实施方式
本发明所使用的单一小分子有机模板剂是3,5-二甲基-N-丁基碘化吡啶(下文以符号T指代)，其制备方法示例：将15g3,5-二甲基吡啶置于100ml圆底烧瓶中，加入30ml乙醇，然后再加入30.9g碘代正丁烷，在80℃油浴中搅拌回流反应12h，反应结束后，向反应产物中加入乙醚就可产生的白色固体沉淀，经过滤、干燥即可得到所需模板剂。
3,5-二甲基-N-丁基碘化吡啶的分子结构式如下所示
实施例1：新型廉价的单一小分子有机模板合成全硅ZSM-5沸石
将5g H2O，0.28g NaOH，1.0g有机模板剂(T，结构如图1)以及3.9g二氧化硅含量30％的硅溶胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，140℃晶化3d即完全晶化，产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
22H2O:SiO2:0.18Na2O:0.18T
经X射线衍射分析其结构为属于MFI的ZSM-5沸石分子筛(图2)，而且通过扫描电镜照片可以看出所合成的产品呈现片状的形貌(低倍)，而且产品的片状形貌是相互交叉的，片的厚度在20-30nm左右(高倍)。附图3为新型廉价的单一小分子有机模板合成ZSM-5沸石的扫描电镜照片(SEM)。
实施例2：新型廉价的单一小分子有机模板合成富铝ZSM-5沸石
将5g H2O，0.32g Al2(SO4)3·18H2O，0.77g NaOH，2.8g有机模板剂(T，结构如图1)以及3.9g二氧化硅含量30％的硅溶胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，100℃晶化10d即完全晶化,产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
22H2O:SiO2:0.025Al2O3:0.5Na2O:0.5T
实施例3：新型廉价的单一小分子有机模板合成高硅ZSM-5沸石
将5g H2O，0.023g NaAlO2，0.32g NaOH，1.0g有机模板剂(T，结构如图1)以及3.9g二氧化硅含量30％的硅溶胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，100℃晶化10d即完全晶化,产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
22H2O:SiO2:0.005Al2O3:0.21Na2O:0.18T
实施例4：新型廉价的单一小分子有机模板高温合成全硅ZSM-5沸石
将0.16g NaOH，0.56g有机模板剂(T，结构如图1)以及3.9g二氧化硅含量30％的硅溶胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，200℃晶化12h即完全晶化,产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
8H2O:SiO2:0.1Na2O:0.1T
实施例5：新型廉价的单一小分子有机模板高水量合成全硅ZSM-5沸石
将14.8g H2O，0.16g NaOH，0.56g有机模板剂(T，结构如图1)以及3.9g二氧化硅含量30％的硅溶胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，200℃晶化12h即完全晶化,产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
50H2O:SiO2:0.1Na2O:0.1T
实施例6：新型廉价的单一小分子有机模板采用固体硅源合成全硅ZSM-5沸石
将7.73g H2O，0.39g NaOH，1g有机模板剂(T，结构如图1)以及1.17g固体硅胶置于烧杯中搅拌均匀，然后将此凝胶加入到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，140℃晶化3d即完全晶化,产物抽滤，烘干后得到产品。反应原料的配比如下：
22H2O:SiO2:0.18K2O:0.18T
以上所述，仅是本发明的几种实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例。但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。

Claims (3)

1.一种以单一小分子有机模板剂合成薄片状ZSM-5沸石分子筛的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水、硅源、碱源和模板剂混合，或者再添加铝源后继续混合至均匀；然后置于反应釜中，在100～200℃晶化12h～10d，产物抽滤、烘干，即得到ZSM-5沸石分子筛的原粉；
控制各反应原料的添加量使其摩尔比范围为：8～50H2O∶SiO2∶0～0.025Al2O3∶0.1～0.5(Na2O或K2O)∶0.1～0.5模板剂；所述模板剂为3,5-二甲基-N-丁基碘化吡啶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝源为硫酸铝或偏铝酸钠；硅源为固体硅胶或二氧化硅含量为30％的硅溶胶；碱源为氢氧化钾或氢氧化钠。
3.制备用于薄片状ZSM-5沸石分子筛合成的模板剂的方法，其特征在于，包括步骤：向将15g的3,5-二甲基吡啶中加入30ml乙醇，然后再加入30.9g碘代正丁烷，在80℃油浴中搅拌回流反应12h；反应结束后，向反应产物中加入乙醚，产生的白色固体沉淀经过滤、干燥，即为模板剂。
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