CN111099631B - 过渡金属磷铝分子筛及其制备方法 - Google Patents

过渡金属磷铝分子筛及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的含过渡金属的磷铝分子筛及其制备方法，所述分子筛中的过渡金属元素M，Al和P具有如下摩尔比：mM:Al:n P，其中0<m≤0.5,0.2≤n≤1.2，上述分子筛具有独特的X射线衍射图谱，它可以作为吸附剂使用，也可以作为催化剂的载体或者以路易斯酸催化作用为主体的固体酸催化剂，又或者利用过渡金属的氧化还原性质，成为氧化还原催化剂。

Description

过渡金属磷铝分子筛及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种过渡金属磷铝分子筛及其制备方法。
背景技术
分子筛是一类多孔的结晶材料，目前发现的已知结构的分子筛种类已达230多种，并且新结构的分子筛还在不断地涌现出来。大部分分子筛具有大的内比表面积以及开放的内部空间，这些内部空间既可以作为反应的发生场所，也可以用来容纳一些客体分子，如金属、金属氧化物，有机分子，水分子等等。由于分子筛具有均一规则的孔道，且孔道尺寸与分子属于同一量级，因而可以对分子的进出进行“选择”，从而获得择形效果。由于分子筛具有上述特征，因而被广泛用作催化剂、催化剂的载体、吸附剂和洗涤剂等，在石油化工，环保，以及吸附和分离领域获得了广泛应用。分子筛的骨架通常由配位四面体(TO4) 通过共顶点(一般为氧原子)连接而成，对于沸石分子筛来说，骨架中的四面体主要为SiO4四面体和AlO4 -四面体，这两种四面体可以分别被其它的四面体所取代，从而形成许多各种骨架结构或者各种骨架组成的分子筛，例如，AlO4 -四面体可以被GaO4 -或ZnO4 2-四面体所取代,从而与SiO4四面体一道构成杂原子分子筛的骨架，而Ge与Si具有相似的配位性质，Ge也可以形成四面体配位结构，通过GeO4和SiO4的连接可以形成数量众多的新型含锗的分子筛结构。
如果SiO4四面体被PO4 +四面体所取代，则形成了分子筛家族的另一个大类，即磷酸铝分子筛，该类分子筛的骨架通过AlO4 -和PO4 +共氧原子连接而成，因而整个分子筛骨架呈现出电中性。当然，类似于沸石分子筛，磷酸铝分子筛中的铝氧四面体或者磷氧四面体也可以被其它的四面体所取代，其中最为常见的是硅氧四面体和锌氧四面体，由于这些四面体的引入，赋予了磷酸铝型分子筛新的特性。相比沸石分子筛，磷酸铝分子筛的人工合成研究比较晚。1971年，Flanigen等人报道了磷酸铝分子筛的合成【Molecular Sieve Zeolites-I, ACS,Washingtom D.C】，在水热合成条件下，混合铝，硅和磷的氧化物得到了与analcime, chabazite,phillipsite-harmotome,L型分子筛，A型分子筛和B型分子筛等具有相同晶体结构的硅磷铝分子筛，其中磷的含量为5～25％(以P2O5计)，但没有发现区别于沸石分子筛的结构。1982年的美国专利4310440使用有机胺或者季铵类化合物作为模板剂，水热合成出了一系列的磷酸铝分子筛，它们包括：AlPO4-5,AlPO4-8,AlPO4-9,AlPO4-11,AlPO4-12, AlPO4-14,AlPO4-16,AlPO4-17,AlPO4-18,AlPO4-20,AlPO4-21,AlPO4-22,AlPO4-23, AlPO4-25,AlPO4-26,AlPO4-28,AlPO4-31等，对于磷铝分子筛的合成，有机模板剂的种类是决定其结构的关键因素之一，到目前为止，有机胺仍是磷铝分子筛合成中应用最为广泛的模板剂。相比硅铝沸石分子筛，磷铝分子筛的工业应用还不多见，目前只有SAPO-34 分子筛和SAPO-11分子筛获得了工业上的应用。最近包信和等人【Science,2016,351, 1065-1068】发表的文章揭示SAPO分子筛可以应用于合成气制烯烃反应中的耦合催化剂的一部分，获得了较好的催化效果，另外，磷酸铝分子筛的潜在应用还包括将它们作为吸附剂或者催化剂的良好载体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种现有技术中未涉及的新的过渡金属磷铝分子筛及其合成方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种过渡金属磷铝分子筛，所述分子筛中的过渡金属元素M，Al和P具有如下摩尔比：mM:Al:n P，其中0<m≤0.4,0.2≤n≤1.2，上述分子筛具有如下的X射线衍射数据：
其中，相对强度基于衍射峰的面积计算。
制备上述的硅磷铝分子筛，其主要步骤为：
a)将过渡金属化合物，铝源，磷源，有机物R和水按照(0.01～0.8)MO:Al2O3: (1.0～3.0)P2O5:(3.0～4.8)R:(50～500)H2O的摩尔比例混合，得到合成母液；
b)将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化；
c)上述步骤b)获得的产物经洗涤和干燥后,得到过渡金属磷铝分子筛的前驱体；
d)将上述硅磷铝分子筛的前驱体焙烧即可获得过渡金属磷铝分子筛。
上述技术方案中，其中R为N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷) 氢氧化铵，用化学结构式可以表示为：
上述技术方案中，将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为130℃～185℃，晶化时间为48～160小时，优选的晶化条件为温度为145℃～170℃，时间为60～120 小时；
上述技术方案中，按照常规的焙烧方法进行焙烧即可获得过渡金属磷铝分子筛。
上述技术方案中，过渡金属化合物，铝源，磷源，有机物R和水按照(0.01～0.6)MO:Al2O3: (1.0～3.0)P2O5:(3.6～4.8)R:(50～500)H2O的比例均匀混合。
上述过渡金属磷铝分子筛的制备方法中，铝源至少为拟薄水铝石，异丙醇铝，铝溶胶，氧化铝中的一种；
上述技术方案中，磷源选自磷酸,亚磷酸和五氧化二磷中的一种或多种。
上述技术方案中，过渡金属为Zn，Mg，Fe和Co中的至少一种，过渡金属是以过渡金属盐的形式引入到分子筛制备体系中的，过渡金属盐可以是过渡金属的硝酸盐，硫酸盐，卤盐，草酸盐，醋酸盐等的形式，优选的过渡金属盐最好为具有良好好水溶性的，包括醋酸锌，硝酸锌，硝酸铁，硫酸镁，草酸锌，氯化钴等。
在上述制备过渡金属磷铝分子筛的过程当中，首先会得到一种前驱体，该过渡金属磷铝分子筛的前驱体具有如下的X射线衍射图谱：
在焙烧条件下对该前驱体进行高温处理，即可获得过渡金属的磷铝分子筛，上述分子筛的焙烧条件在本领域是公知的，一个典型的焙烧条件是焙烧温度为550℃，焙烧时间为 6小时。本发明得到的过渡金属磷铝分子筛具有稳定的晶体结构，根据前驱体焙烧条件的不同，分子筛可能会有一定量的含碳物质的残留。
经过焙烧处理后得到的硅磷铝分子筛具有开放的孔道体系，它可以作为吸附剂使用，也可以作为催化剂的载体或者以路易斯酸催化作用为主体的固体酸催化剂，又或者利用过渡金属的氧化还原性质，成为氧化还原催化剂。
本发明提供了一种过渡金属磷铝酸盐分子筛，在金属化合物，铝源，磷源，有机物R共同作用下，同时控制反应原料间的投料比，定向得到本发明过渡金属磷铝酸盐分子筛。
附图说明
图1为实施例1所得过渡金属磷铝分子筛前驱体的XRD图谱。
图2为实施例1所得过渡金属磷铝分子筛的XRD图谱数据。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但并不因此限制本发明的保护范围。
具体实施方式
【实施例1】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为150℃，晶化时间为60小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体，它具有如图1所示的XRD 图谱。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，其XRD 图谱如图2所示，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例2】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例3】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为170℃，晶化时间为42小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例4】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为140℃，晶化时间为84小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例5】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.34克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.25ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.09Al0.41P0.5O2。
【实施例6】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.57克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.40ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为150℃，晶化时间为60小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.12Al0.38P0.5O2。
【实施例7】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.71克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.5ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.15Al0.35P0.5O2。
【实施例8】
称取17.2克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:3.0R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例9】
称取20.7克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.17克的醋酸锌，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12ZnO:1.0Al2O3:2.4P2O5:3.6R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到锌磷铝分子筛的前驱体。将上述锌磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得锌磷铝分子筛，所得锌磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Zn0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例10】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.14克的硝酸镁，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12MgO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到镁磷铝分子筛的前驱体。将上述镁磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得镁磷铝分子筛，所得镁磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Mg0.05Al0.45P0.5O2。
【实施例11】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.28克的硝酸镁，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.25MgO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到镁磷铝分子筛的前驱体。将上述镁磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得镁磷铝分子筛，所得镁磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Mg0.09Al0.41P0.5O2。
【实施例12】
称取27.6克浓度为20.75％的N,N’-(1,4-亚苯基双(亚甲基))双(N-甲基吡咯烷)氢氧化铵(以下简写为R)溶液，然后一边搅拌一边往其中加入0.698克的拟薄水铝石和0.23克的草酸钴，随后再缓慢滴加2.30克浓度为85％的磷酸溶液，搅拌均匀后即可得到具有下述摩尔比例组成的合成母液：
0.12CoO:1.0Al2O3:2.4P2O5:4.8R:190H2O
将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化，晶化温度为160℃，晶化时间为50小时，晶化产物经洗涤和干燥后，得到钴磷铝分子筛的前驱体。将上述钴磷铝分子筛的前驱体在550℃下焙烧5小时即可获得钴磷铝分子筛，所得钴磷铝分子筛的组成为(不计水含量)Co0.05Al0.45P0.5O2。

Claims (9)

1.一种过渡金属磷铝分子筛，所述分子筛中的过渡金属元素M，Al和P具有如下摩尔比：mM:Al:n P，其中0<m≤0.4,0.2≤n≤1.2，上述分子筛具有如下的X射线衍射数据：
2.根据权利要求1所述的过渡金属磷铝分子筛，其特征在于，所述分子筛中的过渡金属元素M，Al和P具有如下摩尔比：mM:Al:n P，其中0<m≤0.3,0.3≤n≤1.0；过渡金属元素为Zn，Mg，Fe或Co中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，包括如下几个步骤：
a)将过渡金属化合物，铝源，磷源，有机物R和水按照摩尔比(0.01～0.8)MO:Al2O3:(1.0～3.0)P2O5:(3.0～4.8)R:(50～500)H2O的比例均匀混合，得到合成母液；
b)将上述合成母液置于密闭反应容器中进行晶化；
c)上述步骤b)获得的产物经洗涤和干燥后,得到过渡金属磷铝分子筛的前驱体；
d)将上述过渡金属磷铝分子筛的前驱体焙烧即可获得过渡金属磷铝分子筛；有机物R的化学结构式为：
4.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于将过渡金属化合物，铝源，磷源，有机物R和水按照摩尔比(0.01～0.6)MO:Al2O3:(1.0～3.0)P2O5:
(3.6～4.8)R:(50～500)H2O的比例均匀混合，得到合成母液。
5.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于晶化温度为130℃～185℃，晶化时间为48～160小时。
6.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于铝源至少为拟薄水铝石，异丙醇铝，铝溶胶，或氧化铝中的一种。
7.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于磷源选自磷酸,亚磷酸或五氧化二磷中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于过渡金属为Zn，Mg，Fe或Co中的至少一种。
9.根据权利要求3所述的过渡金属磷铝分子筛的制备方法，其特征在于过渡金属磷铝分子筛的前驱体具有如下的X射线衍射图谱：
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