CN106976889B - 具有bog结构的硅铝沸石分子筛及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有BOG结构的硅铝沸石分子筛及其制备方法,制备方法包括如下步骤:(1)将铝源、硅源、碱源和水混合得到硅铝凝胶,然后加入晶种搅拌均匀;(2)将步骤(1)得到的混合物置于反应釜中,于110‑140℃条件下晶化5‑20天;(3)将步骤(2)的产物抽滤,烘干,即得所述具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。上述具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法摒除了昂贵的有机模板剂的使用,而且缩短了晶化时间并降低了晶化温度;首次一步法直接合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛,有利于工业化应用。

Description

具有BOG结构的硅铝沸石分子筛及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机材料技术领域,特别是涉及一种具有BOG结构的硅铝沸石分子筛及其制备方法。
背景技术
伯格斯石(Boggsite)矿物是1990年在美国俄勒冈州的玄武岩中发现的一种新型高硅天然沸石分子筛。该分子筛中a轴方向的12元环孔道与b轴方向的10元环孔道相互贯通形成二维孔道结构,值得注意的是这两种孔道都与外界相连通,其中接近于圆形的12元环孔道的直径在左右,10元环孔道的直径在之间(BOG型结构)。综合以上信息,可以预见伯格斯石将具有优异的分离性能和催化性能。然而,伯格斯石世界储量非常稀少,同时还存在开发困难和纯度低等问题无法实现工业化的应用。
2010年西班牙Corma研究组通过采用磷腈配体P1-叔丁基作为有机模版剂,合成出了BOG型分子筛ITQ-47。ITQ-47分子筛虽然具有与伯格斯石相同的结构,但ITQ-47是硅硼分子筛,而伯格斯石是硅铝分子筛。通过后处理方法可实现对ITQ-47分子筛进行了脱硼补铝,但铝的取代量是有限的,通过固体核磁等表征手段证明Al元素能部分地引入到ITQ-47分子筛的骨架中,从而提高了分子筛材料的酸强度。同时,他们并考察了Al-ITQ-47作为酸催化剂在苯与丙烯制备异丙苯的催化性能。相比工业生产中使用的Beta分子筛,尽管Al-ITQ-47比Beta分子筛的催化转化率要低,但它对异丙苯表现出更高的择形催化的效果。
但合成ITQ-47沸石分子筛使用了磷腈配体P1-叔丁基模板剂和二氧化锗,二者的价格都十分昂贵,不适合大规模的生产。
人工合成的ITQ-47分子筛虽然具有与伯格斯石相同的结构,但ITQ-47是硅硼分子筛,硼原子在沸石分子筛骨架中的取代只会带来弱的Lewis酸中心,催化应用非常有限。欲提高酸中心强度,需要通过后处理的方式脱硼补铝。但通过该种方法引入Al的含量有限,还会降低沸石分子筛材料的水热稳定性,从而影响材料的催化性能和吸附性能。ITQ-47在脱模版剂的过程需要高温煅烧,有机模板剂中的磷物种会转变成五氧化二磷残留在孔道中,需要通过进一步洗涤才能完全去除。
发明内容
基于此,本发明的目的是提供一种具有BOG结构的硅铝分子筛的制备方法。
具体的技术方案如下:
一种具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,包括如下步骤:
(1)将铝源、硅源、碱源和水混合得到硅铝凝胶,然后加入晶种搅拌均匀;
所述硅铝凝胶中原料的摩尔比满足:SiO2:Na2O:Al2O3:H2O=1:0.2~1.0:0.005~0.1:10~40;
(2)将步骤(1)得到的混合物置于反应釜中,于110~140℃条件下晶化5~20天;
(3)将步骤(2)的产物抽滤,烘干,即得所述具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
在其中一些实施例中,所述硅铝凝胶中原料的摩尔比满足:SiO2:Na2O:Al2O3:H2O=1:0.25~0.35:0.01~0.035:15~35。
在其中一些实施例中,所述晶种选自伯格斯石、ITQ-47或具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
在其中一些实施例中,所述晶种的用量为SiO2质量的3~20%。
在其中一些实施例中,所述铝源选自:硝酸铝、硫酸铝、偏铝酸钠、异丙醇铝、铝溶胶或氢氧化铝中的一种或几种。
在其中一些实施例中,所述硅源选自:白炭黑、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠或正硅酸乙酯中的至少一种。
在其中一些实施例中,所述碱源为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或几种(当所用硅源为硅酸钠或水玻璃时,无需额外加入碱源,只需满足SiO2:Na2O:Al2O3:H2O=1:0.2~1.0:0.005~0.1:10~40)。
在其中一些实施例中,步骤(2)中,将步骤(1)得到的混合物置于反应釜中,于115~140℃条件下晶化5~18天。
本发明的另一目的是提供一种具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
上述制备方法制备得到的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
上述具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法摒除了昂贵的有机模板剂的使用,而且缩短了晶化时间并降低了晶化温度;首次一步法直接合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛,有利于其工业化应用。上述制备方法得到的硅铝沸石分子筛保持了良好的结晶度和纯度,具有良好的催化反应活性。上述制备方法减少了在生产过程中不必要的损耗,产品对于一些重要的催化反应具有潜在的应用价值。上述制备方法所采用的无机原料均对环境友好,价格低廉;由于在合成过程中没有引入任何有机模板剂,无需焙烧,其孔道就是畅通的,不会导致环境污染和较高的能耗。
附图说明
图1为实施例1得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的XRD图;
图2为实施例1得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的SEM图;
图3为实施例1得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的吸脱附等温曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将对本发明进行更全面的描述。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1:以ITQ-47为诱导晶种合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛(SYSU-4沸石分子筛)
首先将0.031g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.32g NaOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.045g ITQ-47分子筛(可根据现有技术合成得到)晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,130℃条件下晶化10天。
反应原料的摩尔配比如下:SiO2:0.025NaAlO2:0.54NaOH:25H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例2:以ITQ-47为诱导晶种115℃合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将0.061g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.336g NaOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.045gITQ-47分子筛晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,115℃条件下晶化18天。
反应原料的摩尔配比如下:SiO2:0.05NaAlO2:0.56NaOH:15H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例3:以20%ITQ-47为诱导晶种,氢氧化钠和氢氧化钾为碱源合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将0.049g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.3g NaOH和0.042g KOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.18g ITQ-47分子筛晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,135℃条件下晶化7天。
反应原料的摩尔配比如下:SiO2:0.04NaAlO2:0.5NaOH:0.05KOH:20H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的20%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例4:以Al2(SO4)3·18H2O为铝源合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
将0.3g NaOH溶于5mL去离子水,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅凝胶;0.4g Al2(SO4)3·18H2O溶于2mL去离子水,缓慢加入0.12g浓缩NaOH溶液(50%w),并将得到的混合物加入前面的硅凝胶中搅匀,最后加入0.045g ITQ-47分子筛晶种搅拌均匀。将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,125℃条件下晶化15天。
反应原料的摩尔配比如下:SiO2:0.04Al2(SO4)3·18H2O:0.6NaOH:25H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例5:以正硅酸四乙酯为硅源晶种法合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
将去离子水和0.041g NaAlO2混合均匀后,向其中加入0.31g NaOH,在搅拌下加入3.13g正硅酸四乙酯,继续剧烈搅拌直到溶液均匀形成硅铝凝胶,再加入0.045g ITQ-47分子筛晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,125℃条件下晶化14天。
反应原料的摩尔配比如下:TEOS:0.033NaAlO2:0.52NaOH:20H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例6:以硅溶胶为硅源晶种法合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
将去离子水和0.041g NaAlO2混合均匀后,向其中加入0.3g NaOH,在搅拌下加入2.25g硅溶胶(LUDOX,aq 40%w),继续剧烈搅拌直到溶液均匀形成硅铝凝胶,再加入0.045gITQ-47分子筛晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,130℃条件下晶化10天。
反应原料的摩尔配比如下:LUDOX:0.033NaAlO2:0.5NaOH:20H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例7:以硅酸钠为硅源晶种法合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将去离子水与0.5g Al2(SO4)3·18H2O混合均匀,之后在搅拌下加入4.26gNa2SiO3·9H2O,继续搅拌直到溶液变均匀后滴加1.8g硅溶胶(LUDOX,aq40%w),最后加入0.045g ITQ-47分子筛做晶种搅拌均匀,将反应原料加入聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,140℃条件下晶化5天。
反应原料的摩尔配比如下:Na2SiO3·9H2O:0.5Al2(SO4)3·18H2O:0.8LUDOX:25H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例8:在较低铝含量的情况下以ITQ-47为诱导晶种合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将0.025g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.3g NaOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.045g ITQ-47搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,120℃条件下晶化16天。
反应原料的摩尔配比如下:SiO2:0.02NaAlO2:0.5NaOH:25H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例9:在较高铝含量的情况下以3%ITQ-47为诱导晶种合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将0.082g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.3g NaOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.027g ITQ-47分子筛晶种搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,125℃条件下晶化12天。
反应原料的配比如下:SiO2:0.067NaAlO2:0.5NaOH:15H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的3%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
实施例10:以SYSU-4为晶种合成具有BOG结构的硅铝沸石分子筛
首先将0.031g NaAlO2溶于去离子水,再向其中加入0.31g NaOH,搅拌得到澄清溶液之后加入0.9g白炭黑,室温下继续搅拌直到形成均匀的硅铝凝胶,最后加入0.045gSYSU-4搅拌均匀,将反应原料转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,130℃条件下晶化10天。
反应原料的配比如下:SiO2:0.025NaAlO2:0.52NaOH:20H2O,晶种ITQ-47的添加量为SiO2质量的5%,产物抽滤,烘干即可得到具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
性能试验
将实施例1得到的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛进行如下性能试验:
1、进行X射线衍射,如图1所示,分析衍射图谱,可知材料成分为Al-BOG。
2、进行扫描电镜观察外观形貌,如图2所示,可知SYSU-4围绕晶种ITQ-47生长,两者的形貌相似,但SYSU-4的粒径更小。
3、进行吸脱附试验,试验步骤如下:
用Micromeritics ASAP 2020测量N2吸附,在300℃对样品脱气。样品在77K下进行N2吸脱附测试,相对压力范围为0<P/P0<1。
结果如图3所示,可知BET比表面积为522.29m2/g;微孔孔容为0.20cm3/g。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将铝源、硅源、碱源和水混合得到硅铝凝胶,然后加入晶种搅拌均匀;
所述硅铝凝胶中原料的摩尔比满足:SiO2:Na2O:Al2O3:H2O=1:0.2~1.0:0.005~0.1:10~40;
(2)将步骤(1)得到的混合物置于反应釜中,于110~140℃条件下晶化5~20天;
(3)将步骤(2)的产物抽滤,烘干,即得所述具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
2.根据权利要求1所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述硅铝凝胶中原料的摩尔比满足:SiO2:Na2O:Al2O3:H2O=1:0.2~0.6:0.01~0.05:10~35。
3.根据权利要求1所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述晶种选自伯格斯石、ITQ-47或具有BOG结构的硅铝沸石分子筛。
4.根据权利要求1所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述晶种的用量为SiO2质量的3~20%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述铝源选自:硝酸铝、硫酸铝、偏铝酸钠、异丙醇铝、铝溶胶或氢氧化铝中的一种或几种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述硅源选自:白炭黑、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠或正硅酸乙酯中的至少一种。
7.根据权利要求1-4任一项所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,所述碱源为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或几种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的具有BOG结构的硅铝沸石分子筛的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,将步骤(1)得到的混合物置于反应釜中,于115~140℃条件下晶化5~18天。
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