ZSM-5分子筛纳晶的多尺度组装调控及其在轻烃催化裂解反应中的催化作用机制研究

乙烯、丙烯等低碳烯烃是石油化工重要的基本原料。本课题以低能耗生产低碳烯烃的反应－轻烃催化裂解反应为目标反应，在总结分析目标反应过程特点及当前催化剂研究现状基础上，为最大化实现催化剂对反应途径和反应深度的协同调控，本课题提出以适合于目标反应的纳米ZSM-5分子筛为结构基元，采用电纺和共轴电纺技术，利用高压静电力多尺度组装纳米ZSM-5分子筛，在调控分子筛纳晶聚集体厚度的同时，以其作为孔壁，进一步组装形成大孔，构筑出孔壁具有丰富微介孔，且大孔壁厚、孔径可调的多尺度孔分子筛催化剂, 并在原位、动态条件下对比考察其在轻烃催化裂解反应中的催化性能，探讨多尺度孔结构及壁厚、酸性质等对反应深度、反应途径的控制和反应性能的影响机制，为进一步设计开发低能耗、高产率生产低碳烯烃催化过程的高效催化剂提供理论依据。

以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃是重要的基础有机化工原料，轻烃催化裂解反应是一类低能耗生产低碳烯烃的反应。本项目旨在通过ZSM-5分子筛纳晶的组装调控，制备ZSM-5基高效催化剂，实现对轻烃催化裂解反应的有效调控。采用水热晶化法制备了ZSM-5纳米分子筛，考察了制备条件对ZSM-5纳晶尺寸和物化性质的调控规律，实现了纳米ZSM-5分子筛的优化制备。以ZSM-5分子筛纳晶为结构基元，采用高压静电自组装法制备了多级孔ZSM-5分子筛纤维。所制备的纤维形貌规整、直径及壁厚均匀，具有典型的MFI拓扑结构，并且具有较高的结晶度和可调的多级孔结构，在此基础上，研究了孔的逐级引入对异丁烷催化裂解的影响，研究结果表明，所制备的多级孔ZSM-5分子筛纤维因有效组合了分子筛基元的内在特性及纤维特定结构，在异丁烷催化裂解反应中不仅表现出高的低碳烯烃收率，而且具有高的反应稳定性。该研究实现了分子筛纳晶的多级组装调控及对轻烃催化裂解反应的多重调控，为深入研究烃类催化裂解反应提供了一类模型催化剂。在此基础上，从进一步强化微孔晶内扩散和介孔晶间扩散入手，制备了纳米薄层ZSM-5分子筛，其形貌规整，分层明显。从载体和分子筛材料对裂解性能的协控入手，制备了多级孔SiO2载体上原位生长的纳米ZSM-5基分子筛催化剂，上述催化剂均表现出了优异的轻烃催化裂解性能。项目的研究结果表明，所制备的ZSM-5基催化剂合适的酸性、高的活性位可接近性及组装引入的多级孔对扩散传质增强的协同作用是其高催化性能的原因。该结果为进一步设计研发轻烃催化裂解高效催化剂提供了新的思路。围绕项目及相关研究内容，共发表SCI标注论文11篇，申请国家发明专利1项。