【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】沸石分子篩是一種微孔結(jié)晶材料，在化工、能源、環(huán)保等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)沸石分子篩的微孔尺寸小于2納米，這一特性使其成為實(shí)現(xiàn)客體分子擇型催化和吸附分離的關(guān)鍵，但是這些微小的孔隙同時也限制了其在處理更大尺寸大分子過程中的應(yīng)用。因此，開發(fā)出具有更大孔徑尺寸的沸石分子篩一直是該領(lǐng)域科學(xué)家們夢寐以求的目標(biāo)，同時也是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。通過酸堿刻蝕等后處理方式，可以將介孔(2-50納米)或大孔(大于50納米)引入沸石分子篩中，得到微孔、介孔和大孔復(fù)合的“多級孔”或“等級孔”分子篩材料，但這些后引入孔通常尺寸不均一，而且會對分子篩的結(jié)晶度、酸強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生削弱。前期，研究者通過引入表面活性劑或有機(jī)模板劑實(shí)現(xiàn)了含本征介孔的分子篩材料的成功合成，但這些材料均為非結(jié)晶組成或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，無法滿足苛刻的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)條件要求。
 

　　近日，青島能源所Valentin Valtchev研究員和盧鵬副研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在新型沸石分子篩合成領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，將為化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中涉及大分子的處理過程和擴(kuò)散限制過程提供更加廣闊的應(yīng)用。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種雙季磷陽離子作為有機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和模版劑，利用結(jié)構(gòu)導(dǎo)向和空間填充雙重作用，首次實(shí)現(xiàn)了本征介孔與微孔在原子層面的完美連接，成功制備出了一種新型硅酸鹽沸石分子篩ZMQ-1(Zeolitic Materials, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, No.1；青島能源所分子篩材料1號)。研究團(tuán)隊(duì)與斯德哥爾摩大學(xué)鄒曉冬教授合作，結(jié)合先進(jìn)的三維旋轉(zhuǎn)電子衍射電鏡技術(shù)、X射線粉末衍射、積分差分相位襯度成像透射電鏡以及固體核磁共振技術(shù)，成功解析了該分子篩的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。ZMQ-1擁有由28×10×10元環(huán)構(gòu)成的三維孔道系統(tǒng)(圖1)，其中28元環(huán)的尺寸達(dá)到了22.32 × 11.84 Å，這一尺寸已邁入介孔范疇。更為重要的是，該沸石分子篩具有高的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性，且分子篩骨架硅鋁比可調(diào)。因此，ZMQ-1沸石分子篩是目前已知的首例通過全合成方法制備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的本征介孔硅鋁酸鹽沸石分子篩。
 

圖1 ZMQ-1沸石分子篩的結(jié)構(gòu)和iDPC-STEM圖像
 

　　此外，ZMQ-1分子篩具有高的熱和水熱穩(wěn)定性、豐富的中強(qiáng)B酸位點(diǎn)。在重油催化裂化反應(yīng)中，與商業(yè)化沸石分子篩催化劑相比，含磷ZMQ-1沸石分子篩表現(xiàn)出對輕質(zhì)燃料(汽油和柴油)較高的選擇性，并且產(chǎn)生的焦炭、液化石油氣和干氣等產(chǎn)物也較少(圖2)。這一新型沸石分子篩的成功制備，為分子篩材料領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向。其獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)有望在大尺寸分子催化轉(zhuǎn)化和吸附分離工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
 

圖2 ZMQ-1與商業(yè)化沸石分子篩上的重油催化裂化反應(yīng)結(jié)果
 

　　研究成果以“A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel”為題在線發(fā)表在國際頂級期刊Nature上，盧鵬、孫奕晴和斯德哥爾摩大學(xué)徐姣艷為共同第一作者，Valentin Valtchev和盧鵬為論文通訊作者。該工作獲得青島能源所啟動基金、青島能源所國際合作基金、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。(文/圖 盧鵬、孫奕晴)