核壳结构SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛的制备方法
技术领域
本发明属于SSZ-13分子筛制备技术领域,涉及一种具有核壳结构的SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的制备方法。
背景技术
SSZ-13分子筛的晶体结构是由双六元环和CHA笼两个组成单元复合而成的,这些组成单元相互交联,组合成三维立体网状结构[Kumar M, Luo H, Román-Leshkov Y, etal. SSZ-13 Crystallization by Particle Attachment and Deterministic Pathwaysto Crystal Size Control[J]. Journal of the American Chemical Society, 2015,137(40): 13007-17.]。SSZ-13分子筛的比表面积最高可达700m2/g,且具有可交换的阳离子,硅铝比可调范围广,质子酸中心多,在催化和吸附等众多方面都具有潜在的应用前景。
传统的SSZ-13分子筛产物是一种微米尺寸的立方体形貌晶体材料。较大粒径尺寸的SSZ-13分子筛在催化反应中会对反应物和产物产生较大的扩散阻力,不仅影响催化剂的活性,而且容易产生积碳,降低催化剂的使用寿命。
为解决这一问题,近年来人们开展了纳米级SSZ-13分子筛的合成。与微米级粒子相比,纳米粒子在众多方面都表现出了优异的性能,例如更大的接触面积、更好的扩散效果等。目前报道的纳米级SSZ-13分子筛合成方法主要包括添加表面活性剂[Z. Li, Md. T.Navarro, J. MartínezTriguero, et al. Synthesis of nano-SSZ-13 and itsapplication in the reaction of methanol to olefins[J]. Catalysis Science & Technology, 2016, 6(15).]以及通过调节合成参数得到300nm~5µm的SSZ-13分子筛[Bohström Z, Arstad B, Lillerud K P. Preparation of high silica chabazitewith controllable particle size[J]. Microporous & Mesoporous Materials, 2014,195(9):294-302.]两种方法。但是第一种方法需要的反应时间较长,一般要5~12天,而且合成出来的SSZ-13分子筛容易发生团聚;第二种方法的合成范围较窄、合成过程难于控制,并且合成出的纳米SSZ-13分子筛分离比较困难。
因此,探索一种新的简单易行的纳米级SSZ-13分子筛合成方法,对于改善纳米级SSZ-13分子筛的性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种核壳结构SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛的制备方法,以本发明方法可以制备出纳米级的分子筛,且合成时间短。
本发明所述的核壳结构SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛的制备方法是利用低碱度、低模板剂的SSZ-13分子筛合成体系,先合成出表面不规整的大晶粒球形SSZ-13分子筛作为晶种,为纳米级SSZ-13分子筛的生长提供更多的依附点,以便较短时间内在其表面生长出纳米级的SSZ-13分子筛,从而合成出具有核壳结构的SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛。
以下给出了本发明所述核壳结构SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的具体制备方法。
1) 以N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵(TMADaOH)作为模板剂,将原料硅源、铝源、模板剂、碱源和水按照SiO2∶Al2O3∶模板剂∶Na2O∶H2O=20~60∶1∶5~12∶1.5~4∶800~2000的物质的量比混合,搅拌均匀得到初始凝胶。
2) 对所述初始凝胶进行水热晶化反应,将反应产物焙烧得到大晶粒球形SSZ-13分子筛。
3) 在所述初始凝胶中加入所述大晶粒球形SSZ-13分子筛作为核相,进行水热晶化反应,反应产物焙烧得到具有核壳结构的SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
其中,在所述初始凝胶中加入的核相大晶粒球形SSZ-13分子筛的质量是初始凝胶质量的0.5~3%。
本发明上述制备方法中,优选地,所述用于制备大晶粒球形SSZ-13分子筛的水热晶化反应的反应温度为140~180℃,晶化反应时间72~144h。
进而,所述用于制备SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的水热晶化反应中,优选反应温度为160~180℃,晶化反应时间36~60h。
更进一步地,本发明将所述水热晶化反应产物在550~580℃下进行焙烧,焙烧时间不少于6h。
更具体地,本发明是在所述碱源的水溶液中加入模板剂,再加入铝源搅拌均匀,最后加入硅源,搅拌均匀得到初始凝胶。
传统的SSZ-13分子筛合成过程中,通常需要加入具有立方体形貌的晶种,以促进晶核生长,经过较长的晶化时间(3~6d),得到微米级的SSZ-13分子筛。本发明在传统合成方法的基础上,采用了低碱度、低模板剂的SSZ-13分子筛合成体系,体系中硅铝酸盐不断以固态的形式附着在晶核表面,然后通过结构重排再整合到潜在的晶体界面,导致高度粗化的球形晶体形成并不断生长为大晶粒。进而,继续在低碱度、低模板剂条件下加入所合成的表面高度粗化的晶种,导致晶核更容易生长在晶种上。由于晶核之间距离较近,从而限制了晶核的生长,并且通过控制晶化时间,成功制备出了以微米级SSZ-13分子筛为核、纳米级SSZ-13分子筛为壳的核壳结构SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛材料。
采用本发明方法制备核壳结构SSZ-13@Nano SSZ-13分子筛,不仅晶化时间短,而且合成的纳米级SSZ-13分子筛尺寸均匀,易于分离。
附图说明
图1是实施例1制备的大晶粒球形SSZ-13分子筛的XRD图。
图2是实施例1制备的大晶粒球形SSZ-13分子筛的SEM图。
图3是实施例1制备的SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的XRD图。
图4是实施例1制备的SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的SEM图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案,并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入7g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至140℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
图1和图2分别给出了上述大晶粒球形SSZ-13分子筛的XRD图和SEM图。
根据图1的XRD图可以确定合成产物为SSZ-13分子筛且无杂晶。从图2a的SEM图看出所合成产物为粒径均一的球形SSZ-13分子筛,图2b更大放大倍数的SEM图则可以看出,球形SSZ-13分子筛的表面高度粗化。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
根据图3的XRD图,可以确认所合成产物为SSZ-13晶型结构,产物中无杂晶。
图4给出了所制备SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛的SEM图。其中图4a为生长过程开始几小时取出样品的SEM图,从中可以看出纳米级SSZ-13分子筛开始在核相上生长。从图4b中可以看出,纳米级SSZ-13分子筛大量生长,形成了厚厚的壳层。图4c中可以看出纳米级SSZ-13分子筛的粒径均一,约为70nm。
实施例2。
称取0.15g氢氧化钠,溶解在30ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入9g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至145℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例3。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在25ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入8g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至180℃水热晶化反应72h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧8h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.2g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例4。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入6g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应96h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应60h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例5。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入7g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应96h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至180℃水热晶化反应36h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例6。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入7g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧8h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至180℃水热晶化反应36h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例7。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入7g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至150℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.09g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例8。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入12g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.15g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。
实施例9。
称取0.1g氢氧化钠,溶解在20ml蒸馏水中,搅拌一定时间后,滴加入6g N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵,搅拌均匀,加入0.3g铝酸钠,45℃下搅拌1h,再滴加7.5g的40%硅溶胶,45℃搅拌2h,形成初始凝胶。
将上述初始凝胶装入水热反应釜中,升温至150℃水热晶化反应144h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品大晶粒球形SSZ-13分子筛。
称取17g初始凝胶,45℃下搅拌6h,加入0.2g大晶粒球形SSZ-13分子筛,继续搅拌2h。装入水热反应釜中,升温至160℃水热晶化反应48h,产物过滤、洗涤、干燥,550℃焙烧6h,得到产品SSZ-13@NanoSSZ-13分子筛。