由于具有多種晶體拓撲結構、可調節的化學成分、高(水)熱穩定性和可控的表面酸堿度,沸石廣泛應用于石油煉制、石化制造、精細化工合成、生物醫學、環境化學等領域。在沸石催化的反應中,所涉及的反應物質的分子直徑通常大于沸石的孔徑。這導致本體相和催化劑的活性中心之間產生不希望的擴散阻力,從而顯著降低催化劑效率。

減輕天然沸石基催化劑的擴散阻力和提高催化劑效率一直是學術界和工業界最關心的問題之一。在過去的幾十年里,將分級微/介孔結構整合到沸石中以獲得更好的擴散和催化劑效率的工具得到了極大的豐富。然而,在實際的工業催化過程中,沸石組分即使含有分級多孔結構,也只是多組分工業催化劑的組分之一。沸石基工業催化劑本質上是由微孔沸石和大孔非沸石組分組成的分級結構。當分級多孔結構被整合時,催化劑還具有微/中孔/大孔三峰分級結構。顯然,工業沸石基催化劑的分級孔結構存在于“沸石組分內部”和“工業催化劑組分之間”兩個層次。

在位于北京的《國家科學評論》上發表的一篇新評論論文中,中國青島石油大學(彭鵬、嚴子峰)和中國北京石油公司(Xiong-Hou Gao)的科學家和法國卡昂的法國國家科學研究中心 (CNRS) (Svetlana Mintova) 從催化反應工程的角度分析了分層微/介孔結構合理設計的最新技術。

沸石分級的利用可以的應用到催化產業-國投盛世

從催化反應工程的角度來看,評價催化劑效率的量化指標是催化劑有效性因子(η)和蒂勒模量(φ)。如果催化劑體系具有很強的擴散阻力(η<0.25),則η是φ的倒數,因此η增大意味著φ減小。根據 φ 的定義,可以通過增加有效擴散系數 (Deff) 或縮短擴散路徑 (L) 來提高 η。基于此,分級沸石中的介孔結構可分為三種類型:(1)“功能介孔”(增加有效擴散系數,Deff);(2)“輔助介孔”(縮短擴散路徑,L);(3)“綜合介孔”(同時增加Deff和縮短L)。對于分級沸石材料,優異的孔連通性可以保證形成在微孔活性位點上的產物快速擴散和解吸,從而避免失活。對于像流化催化裂化(FCC)這樣的級聯反應網絡,精心設計的分級多孔結構可以保證微孔和介孔之間的互連,這對于FCC過程中的反應中繼非常重要。
具有分級多孔結構的沸石只是真正工業催化劑的成分之一。為了滿足工業催化過程中機械強度、水熱穩定性、抗中毒和抗焦化的要求,工業催化劑需要添加其他非沸石組分。雖然工業催化劑組分之間的相互作用機制尚不完全清楚,但沸石和非沸石組分之間多孔結構的非理想匹配會導致分級孔沸石組分的性能降低。工業催化劑中分級沸石和其他非沸石組分的孔互連性的協調是分級沸石工業應用之前需要解決的緊迫問題。

制備分級多孔材料的最終目標是通過控制分級孔結構、不同組分的位置和互連性,在工業規模上充分釋放其潛力,這些對提高其催化效率起著關鍵作用。開發組合的原位或操作光譜、顯微或衍射技術是解開作為工業催化劑組分的分級沸石的構效關系的關鍵。