CN107915234B - 一种多级孔ts-1纳米沸石聚集体分子筛的制备方法 - Google Patents

一种多级孔ts-1纳米沸石聚集体分子筛的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级孔TS‑1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法，其特点是以正硅酸乙酯（TEOS）或硅溶胶为硅源，钛酸四丁酯（TBOT）或氯化钛为钛源，四丙基氢氧化铵(TPAOH)为碱源组成的合成体系中，引入分子筛晶种以及小分子醇为晶体生长抑制剂，采用晶种和晶体生长抑制剂协同作用，高温晶化制得纳米沸石聚集体的多级孔TS‑1分子筛。本发明与现有技术相比具有硅钛比可调的、孔结构可控的、晶体完美、水热稳定性好，外比表面积和堆积介孔体积大，较好的克服了使用特定结构且价格昂贵的结构导向剂或二次模板剂的缺点，合成方法简单，反应条件温和，产率高，具有一定的工业化运用前景和显著的经济价值。

Description

一种多级孔TS-1纳米沸石聚集体分子筛的制备方法
技术领域
本发明涉及沸石分子筛合成技术领域，尤其是多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法。
背景技术
钛硅分子筛是二十世纪八十年代初开发的新型杂原子分子筛。由于含钛的杂原子分子筛把具有变价特征的过渡金属钛原子引入分子筛骨架，形成氧化－还原催化作用的同时赋予了择形功能，因而其具有优良的定向催化氧化性能，是新一代选择氧化的绿色化学新型催化剂。目前它们在烯烃的环氧化、饱和烷烃的氧化、环己酮的氨氧化、醇类的氧化和芳烃的羟基化等领域已经表现出很好的工业应用前景。
近年来，多级孔TS-1 沸石材料的合成一般都采用硬模板或软模板法，其中碳材料作为硬模板被广泛应用于合成含有介孔及更大孔道结构的TS-1 沸石分子筛催化剂。比如CN101003377 A 以商业氟碳/碳氢表面活性剂作为介孔结构模板剂，在微孔分子筛模板的协同作用下，一步合成介孔结构良好的多级孔MFI 型分子筛材料。专利CN101962195 A 公开了一种以廉价的糖代替炭黑、碳纳米管等材料作为介孔/大孔模板剂，制备得到了一种介孔和大于孔道相互连通的多级孔TS-1 钛硅沸石。专利CN 104058423 A 公开了一种以三维有序大孔-介孔多级孔碳材料为硬模板，通过调控水热合成的条件，在硬模板孔道中限域生长TS-1纳米晶，去除硬模板后即可制备得到有序大孔-介孔-微孔多级孔TS-1 分子筛。专利CN105712367 A 提供了一种在微孔钛硅分子筛TS-1 表面包覆酚醛树脂聚合物作为硬模板，再包覆介孔含钛二氧化硅，得到核/壳式微孔/介孔复合钛硅分子筛。专利CN 106276958A 公开了一种具有蛋白石结构的有序孔-介孔多级孔钛硅分子筛TS-1 单晶及其合成方法，所合成的有序大孔-介孔多级孔钛硅分子筛TS-1 单晶同时具备多级孔道结构和单晶结构两个优势。专利CN 105603579 A 报道了一种有利于提高扩散、分离等性能的高长径比中空分子筛纤维的制备方法。专利CN 106268936 A 公开了一种以廉价的硅藻土作为载体，通过电性反转吸附成核晶化的方式，将纳米TS-1 钛硅沸石均匀负载于硅藻土表面，制得含大/介/微孔多级孔道结构的硅藻土/纳米TS-1 钛硅沸石复合材料。上述这些方法将碳材料作为硬模板有效地将介孔引入到沸石晶体中，可以得到多级孔TS-1 沸石分子筛材料，但此类合成方法在合成过程中容易出现相分离，不易得到纯相的样品，并且价格也非常昂贵，无疑增加了介孔TS-1 沸石分子筛的合成成本。
另外，使用软模板合成多级孔TS-1 沸石分子筛也有报道：专利CN102442683 A 公开了一种利用溶剂挥发自组装制备多级孔道TS-1 的方法，将沸石模板剂、钛酸酯与硅酸酯、长链硅烷充分搅拌混合后全部转入培养皿进行风干形成干凝胶。然后将干凝胶在高压釜中与加入的水形成的水蒸气的作用下，进行水热合成，最后，将干凝胶转化形成的粉末在高温下热处理形成多级孔道的TS-1 沸石分子筛。专利CN103818923 A 公开了一种介孔TS-1 沸石及其应用，其使用二烯丙基胺和二甲基二烯丙基氯化铵制备的含季铵基的高分子聚合物作为介孔模板剂，合成出了介孔TS-1 沸石分子筛，此方法需采用介孔模板剂或有机硅烷等有机添加剂，增加了生产成本，难以推广到工业应用。
直接合成多级孔TS-1 沸石分子筛的方法也有报道，比如专利CN 102745710 B采用气相晶化法，在反应釜中加入相分离诱导剂、结构导向剂和催化剂等，诱导钛硅氧化物前驱体结晶，得到多级孔道TS-1 钛硅沸石分子筛，但这种气相晶化法需要在高温高压条件下进行，能耗高。专利CN 103418432 A 公开了一种具有球形形貌，内部含有MFI 微孔结构的TS-1 纳米晶，外部包裹了多级孔TS-1 钛硅多孔材料。这种采用气相辅助晶化法制备的钛硅分子筛材料虽然具有较高结晶度，但制备步骤繁琐，耗时长，材料制备过程需要加入多种有机试剂，如诱导剂、结构导向剂(三嵌段共聚物等)等，价格昂贵，成本高。专利CN106111186 A 涉及了一种中空结构多级孔道TS-1 沸石分子筛的制备方法，制备出的钛硅分子筛晶粒较小，骨架钛含量较多，氧化脱除活性较高，并在分子筛上覆盖一层二氧化硅，经煅烧得到中空结构TS-1 分子筛，用碳酸铵溶液和氟化氢铵溶液脱除TS-1 钛硅分子筛合成过程中产生的非骨架锐钛矿相二氧化钛，制得中空结构多级孔道TS-1 沸石分子筛。专利CN 105597818 A 采用多步法合成了多级孔TS-1 沸石分子筛，在TS-1 沸石分子筛中构建多级结构的过程无需介孔模板剂和有机硅烷等有机添加剂，整个合成过程操作简单，成本低廉，但是这种制备方法得到的多级孔孔结构不可控，再大分子反应中应用有限。
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多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法，以正硅酸乙酯或硅溶胶为硅源，钛酸四丁酯或氯化钛为钛源，小分子醇(乙醇、丙醇或丁醇)为晶体生长抑制剂以及四丙基氢氧化铵(TPAOH)，采用晶种和晶体生长抑制剂协同作用，实现对多级孔TS-1沸石形貌、粒径大小以及孔结构的可控，能在较宽的硅钛比范围内得到晶体完美、水热稳定性好、活性高的多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的催化剂材料，合成方法简单，反应条件温和，产率高，具有一定的工业化运用前景和显著的经济价值。
实现本发明目的的具体技术方案是：一种多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法，其特点是以正硅酸乙酯（TEOS）或硅溶胶为硅源，钛酸四丁酯（TBOT）或氯化钛为钛源，四丙基氢氧化铵(TPAOH)为碱源组成的合成体系中，引入分子筛晶种以及小分子醇为晶体生长抑制剂 (SDA)，采用晶种和晶体生长抑制剂协同作用，高温晶化制得纳米沸石聚集体的多级孔TS-1分子筛，其具体制备包括以下步骤：
（一）硅钛溶胶凝胶的制备
将硅源与钛源、四丙基氢氧化铵(TPAOH)和水按1 SiO2 : 0.001~0.033TiO2 :0.01~0.5 TPAOH :10~100H2O的摩尔比混合，在室温下搅拌10~30分钟得到混合均匀的硅钛溶胶凝胶。
（二）前驱体溶液的制备
在上述制备的硅钛溶胶凝胶中滴加小分子晶体生长抑制剂 (SDA)配制成摩尔配比为1 SiO2 : 0.001~0.033TiO2 : 0.01~0.5 TPAOH :10~100H2O : 0. 1~0.6 SDA混合溶液，同时添加分子筛晶种，得到前驱体溶液；所述分子筛晶种为MFI 结构的小颗粒沸石原液、水溶液或未晶化完全的结构诱导剂，其添加量为合成体系中SiO2质量的0.1~20%；所述小分子晶体生长抑制剂 (SDA)为乙醇、丙醇或丁醇。
（三）多级孔TS-1 分子筛的制备
将上述制备的前驱体溶液在120~190 ℃ 温度下水热晶化反应8~48 小时，反应结束后所得产物经过滤、洗涤、干燥，得粒径为20~30 nm 颗粒堆积而成500 nm 的沸石聚集体为多级孔TS-1分子筛。
所述分子筛晶种的颗粒大小为10~500 nm。
本发明与现有技术相比具有硅钛比可调的、孔结构可控的、晶体完美、水热稳定性好，以廉价易得的有机小分子晶体生长抑制剂与晶种协同作用，在常规水热条件下，一步合成高结晶度、20~30 nm 粒径堆积而成的多级孔沸石聚集体分子筛，外比表面积和堆积介孔体积大，较好的克服了使用特定结构且价格昂贵的结构导向剂或二次模板剂的缺点，合成方法简单，反应条件温和，产率高，具有一定的工业化运用前景和显著的经济价值。
附图说明
图1为实施例1所得产物的XRD谱图；
图2为实施例1所得产物的SEM谱图。
具体实施方式
实施例1
将4.16 gTEOS与0.17 g TBOT和5.8 g TPAOH 混合，搅拌20 分钟，所得澄清溶液为硅钛溶胶凝胶溶液，在上述制备的硅钛溶胶凝胶溶液中滴加1.0 g 乙醇，搅拌30 分钟后再滴加0.4 g 重量浓度为10 wt% 的silicate-1 晶种溶液，搅拌30 分钟后所得溶液为前驱体溶液，将制备的前驱体溶液放入50 ml 聚四氟乙烯反应釜中，在175 oC温度下晶化反应24 小时，反应结束后经洗涤、干燥，得到TS-1 纳米沸石聚集体分子筛。
参阅附图1， 所得产物经XRD 表征测得，其晶相仅在～8°、～9°、～23°、～24°、～25° (2θ) 出现了特征X 射线衍射峰，无其他杂晶衍射峰出现，表明所得的材料为具有MFI型拓扑结构的、高纯的TS-1 纳米沸石聚集体分子筛样品。
参阅附图2，所得产物经扫描电子显微镜的形貌表征为TS-1 纳米沸石聚集体分子筛。
实施例2
将4.16 g TEOS与0.10 g TBOT 和5.0 g TPAOH 混合，搅拌20 分钟所得澄清溶液为硅钛溶胶凝胶溶液，在上述制备的硅钛溶胶凝胶溶液中滴加1.0 g 乙醇，搅拌30 分钟后再滴加0.5 g 重量浓度为10 wt% 的silicate-1 晶种溶液，搅拌30 分钟后所得溶液为前驱体溶液，将制备的前驱体溶液放入50 ml 聚四氟乙烯反应釜中，在175 oC温度下晶化反应24 小时，反应结束后经洗涤、干燥，得到TS-1 纳米沸石聚集体分子筛。
实施例3
将4.5 g（25 wt%）硅溶胶与0.1 g TBOT和4 g TPAOH混合，搅拌20 分钟所得澄清溶液为硅钛溶胶凝胶溶液，在上述制备的硅钛溶胶凝胶溶液中滴加0.8 g 乙醇，搅拌30 分钟后再滴加1.0 g 重量浓度为10 wt% 的silicate-1晶种溶液，搅拌30 分钟后所得溶液为前驱体溶液，将制备的前驱体溶液放入50 ml聚四氟乙烯反应釜中，在175 oC温度下晶化反应36小时，反应结束后经洗涤、干燥，得到TS-1纳米沸石聚集体分子筛。
实施例4
将4.16 g TEOS与0.17 g TBOT 和5.3 g TPAOH 混合，搅拌15 分钟所得澄清溶液为硅钛溶胶凝胶溶液，在上述制备的硅钛溶胶凝胶溶液中滴加1.5 g 乙醇，搅拌30 分钟后再滴加1.5 g 重量浓度为10 wt% 的silicate-1 晶种溶液，搅拌30 分钟后所得溶液为前驱体溶液，将制备的前驱体溶液放入50 ml聚四氟乙烯反应釜中，在175 oC 温度下晶化反应20 小时，反应结束后经洗涤、干燥，得到TS-1 纳米沸石聚集体分子筛。
以上各实施例只是对本发明作进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法，其特征在于以正硅酸乙酯或硅溶胶为无机硅源，钛酸四丁酯或氯化钛为钛源，四丙基氢氧化铵为碱源组成的合成体系中，引入分子筛晶种以及小分子晶体生长抑制剂(SDA)，采用晶种和晶体生长抑制剂协同作用，高温晶化制得纳米沸石聚集体的多级孔TS-1分子筛，其具体制备包括以下步骤：
（一）硅钛溶胶凝胶的制备
将硅源与钛源、四丙基氢氧化铵(TPAOH)和水按1 SiO2 : 0.001~0.033TiO2 : 0.01~0.5 TPAOH :10~100H2O的摩尔比混合，在室温下搅拌10~30分钟得到混合均匀的硅钛溶胶凝胶；
（二）前驱体溶液的制备
在上述制备的硅钛溶胶凝胶中滴加小分子晶体生长抑制剂 (SDA)配制成摩尔配比为1SiO2 : 0.001~0.033TiO2 : 0.01~0.5 TPAOH：10~100H2O : 0. 1~0.6 SDA混合溶液，同时添加分子筛晶种，得到前驱体溶液；所述分子筛晶种为MFI 结构的小颗粒沸石原液、水溶液或未晶化完全的结构诱导剂，其添加量为合成体系中SiO2质量的0.1~20％；所述小分子晶体生长抑制剂(SDA)为乙醇、丙醇或丁醇；
（三）多级孔TS-1 分子筛的制备
将上述制备的前驱体溶液在120~190 ℃温度下水热晶化反应8~48 小时，反应结束后所得产物经过滤、洗涤、干燥，得粒径为20~30 nm 颗粒堆积而成500 nm 的沸石聚集体为多级孔TS-1分子筛。
2.根据权利要求1所述多级孔TS-1 纳米沸石聚集体分子筛的制备方法，其特征在于所述分子筛晶种的颗粒大小为10~500 nm。
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