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铝磷酸盐分子筛材料的研究进展

发布日期:2014-09-22   浏览次数:924



1982年美国联碳公司科学家WilsonST和FlanigenEM首次在水热体系中以有机胺为模板剂合成了新型铝磷酸盐分子筛,为微孔化合物开辟了一个全新的领域。而近年来,介孔材料的迅速发展和广泛应用促进了铝磷酸盐分子筛从微孔向介孔的发展。在Mobil公司成功合成出MCM-41介孔材料后不久,人们就开始尝试制备铝磷酸盐介孔材料。经过长期的努力。



目前,这类非硅基介孔材料以其在催化、吸附、分离、传感及光、电、磁等诸多领域所具有的广阔应用前景引起了国内外研究者的广泛关注。而且,由于磷酸铝分子筛结构的易调节性,可以在其中引入Si、Ti、Cr、Zn等杂原子来部分取代磷酸铝骨架中的P和Al原子,从而赋予分子筛更多的新特性。这些性质更促进了人们对该类材料的深入研究。迄今为止,人们已经成功的合成了1-D链状,2-D层状,3-D空旷骨架结构的铝磷酸盐分子筛,以及含有大微孔和超大微孔的分子筛材料,并将合成方法由水热体系扩展到了溶剂热合成体系。目前,铝磷酸盐介孔材料正向着可调孔径、高稳定性和高有序度方向发展,并出现了一些改性的新方法,如通过插层复合技术将有机聚合物与无机铝磷酸盐复合,从而获得具有高热稳定性的铝磷酸基介孔纳米复合材料。微孔铝磷酸盐材料是1982年由美国联碳公司在水热体系中以有机胺为模板剂首次成功合成的。



随后具有微孔、大孔和介孔的AlPO4-n相继出现,并且可以将13种元素如Li、Be、B、Mg、Zn等引入微孔骨架,生成24种具有开放骨架结构类型的微孔化合物。该类杂化铝磷酸盐分子筛一般具有六元环到十二元环的结构,孔径在0.3~0.8nm可调。因为铝磷酸盐是铝氧磷相互连接构成骨架,其中铝离子除具有氧四面体配位外,还有氧五配位和氧六配位的结构,因此其结构在很大范围内具有可调节性。最初,铝磷酸盐的制备一般采用水热合成法,在一定温度和压力下将铝源和磷源在模板剂或导向剂存在的条件下共同水热晶化制得。典型的制备过程如下:经研磨过的偏铝酸钠、异丙醇铝在搅拌条件下分散于水中,并加入有机胺(如二乙胺)作为模板剂。然后将磷酸滴入混合溶液中,同时搅拌直至混合物均匀。将所得混合物密封于具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,高温下结晶,最后经过滤、去离子水洗涤及环境温度下干燥可得到产物。



由于铝磷酸盐分子筛的骨架呈中性,不具有离子交换性,且表面酸性很弱,因此在应用方面受到限制。1984年Lork等将Si原子引入铝磷酸盐分子筛中,合成出一系列硅铝磷酸盐分子筛。该类分子筛骨架呈电负性,具有可交换的阳离子,同时具有质子酸性,因此被广泛用作吸附剂、催化剂及催化剂载体。



硅铝磷酸盐通常采用水热法合成。在一定温度下,按确定原料组成,将铝源和磷源混合、搅拌,然后加入有机胺或季铵盐类模板剂和硅溶胶,直至形成凝胶。将凝胶装入不锈钢高压釜中,密闭加热至一定温度,在自生压力下进行恒温晶化反应,然后经过分离、洗涤并干燥,最后焙烧除去模板剂,即得硅铝磷酸盐分子筛。其制备过程的主要影响因素有:反应物的组成、硅源种类、模板剂、pH值、晶化温度和晶化时间等。



目前,我国对硅铝酸盐的研究也取得了一定的进展。利用天然矿物钾长石作为硅铝源前驱体,采用一步晶化法合成出含有NaX型沸石基本结构单元的新型介孔分子筛。采用XRD、N2吸附法、红外光谱、核磁共振、扫描电镜等测试方法表征了样品的结构特征和性能。研究表明,所合成的材料具有介孔分子筛的结构特征,有很好的水热稳定性。以水玻璃为硅源,偏铝酸钠为铝源,十六烷基三甲基溴化铵为模板剂,合成了强酸性介孔分子筛Al-MSU-S和介孔-微孔分子筛Al-MSU-S,并比较了它们的催化性能。结果表明,在0.1MPa下后者的催化性能优于前者。



在各种硅铝磷酸盐分子筛中,最引人瞩目的是SPAO-34。这是因为其具有适宜的孔道和酸性,因此即可作为吸附剂,又可作为催化剂。特别是SPAO-34对乙烯和丙烯的选择性很高,不易形成积炭,因此在轻烯烃(MTO)催化过程中起到择形催化作用。另外,SPAO-34在烷烃的裂解、加氢裂解及氧化脱氢甚至更复杂的烃的转化中均可起到很好的催化作用。



金属铝磷酸盐具有独特的孔道结构,其研究开发也受到了国内外研究者的广泛关注。目前研究较的为钛(或钛硅)铝磷酸盐、锌铝磷酸盐、铬铝磷酸盐、钴铝磷酸盐等介孔材料。这些过渡金属的引入,扩展了铝磷酸盐在氧化还原、催化、吸附、光电等方面的用途。如用TiⅣ取代硅铝磷酸盐(SAPO-37)中部分的SiⅣ,制得的介孔钛硅铝磷酸盐材料具有很好的氧化还原活性。结构分析表明,Ti的引入并没有改变原介孔材料(SAPO-37)的骨架结构及整体性能,只是增加了氧化还原活性中心。对于具有多种价态的铬,引入高价态铬与低价态铬相比,前者会使所得介孔铬铝磷酸盐材料具有更强的酸性中心,因而具有更高的酸性催化性能。将二价钴离子引入到铝磷酸盐中,所得介孔铝磷酸盐材料同时具有氧化还原活性中心及Bronstend酸活性中心,因而具有氧化还原和选择催化双重性能,因此已被广泛应用于烷烃的选择催化氧化、异构化及以甲醇制备轻烯烃的反应中。



综上所述,铝磷酸盐分子筛在尺度上经历了由微孔、大孔直到介孔的发展历程,制备方法上经历了从最初的水热合成到溶剂热合成及有机/无机复合改性的发展变化。目前铝磷酸盐分子筛家族已经形成一个较为庞大的体系,包括不同结构、不同尺度、不同组份和不同性能的分子筛产品,并被广泛应用于催化、吸附、氧化还原、分离、光电材料等各个领域。随着研究的深入,性能更为优越的铝磷酸盐分子筛必将在材料的研究和生产中起到更为重要的作用。

 

文章来自:http://www.ebswax.com/

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