CN111032571A - 通过调节合成母液的组成来制造具有可控铝含量的沸石的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于制造具有可控铝含量的沸石的方法，其中，可以调节沸石合成母液的氢氧化钠摩尔浓度以调节合成的CHA中的铝含量。通过提供的方法制造的低铝含量的CHA的结构即使在高温水热处理之后也不瓦解，因此作为催化剂的CHA的活性可以得以保持。此外，通过调节结构中的铝含量，制造的CHA的性质极大地改变，因此CHA可以被应用于各种领域。

Description

通过调节合成母液的组成来制造具有可控铝含量的沸石的 方法
技术领域
本发明涉及沸石，更具体地，涉及一种通过调节合成混合物的组成来制造具有可控铝含量的沸石的方法。
背景技术
沸石具有独特的硅铝酸盐三维晶体结构，并且由于具有大的比表面积和宽泛的酸度的控制，它们已被宽泛地用作催化剂、吸附剂、分子筛，离子交换剂等。
由于因沸石框架中存在的铝原子而在其中生成了具有低电子密度的酸位点，因此沸石根据铝含量具有宽泛的酸度范围，并且因此广泛地应用于各种酸催化剂。因为当沸石在水的存在下暴露于高温时，沸石框架中的四面体配位中的铝原子从框架逸出，导致沸石结构瓦解，所以具有高铝含量的沸石具有低水热稳定性的缺点。另一方面，具有过低铝含量的沸石作为酸催化剂具有低催化性能，因此，根据反应需要具有合适的铝含量的沸石。由于指示这种铝含量的Si/Al摩尔比是确定催化剂性质的重要因素，因此对通过适当地调节合成条件来控制Si/Al摩尔比已经进行了许多研究。具体地，与其它沸石相比，出于从汽车排气去除氮氧化物的目的，用于选择性催化还原(SCR)催化剂中的铜离子交换的Cu/SSZ-13(CHA)，在宽泛的温度范围内表现出高活性并且具有优异的水热稳定性，因此作为汽车后处理催化剂而备受瞩目。然而，由于高水热稳定性对于汽车后处理***的SCR催化剂是不可缺少的，因此目前商业化的沸石催化剂在使用中具有局限性。
发明内容
技术问题
本发明针对提供一种制造沸石的方法，该沸石具有可控铝含量以在被用作催化剂时具有改善的活性和改善的水热稳定性。
然而，本发明的技术目的不限于上面描述的技术目的，并且本领域技术人员将从以下描述清楚地理解其它未提及的技术目的。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种制造具有可控铝含量的沸石的方法，该方法包括：第一步骤，通过基于沸石Y调节结构导向剂和氢氧化钠的组成来制备合成混合物；以及第二步骤，通过使合成混合物经受水热反应和煅烧来制备CHA。
在本发明的制造具有可控铝含量的沸石的方法中，沸石Y可以是作为二氧化硅和氧化铝的原材料。
在本发明的制造具有可控铝含量的沸石的方法中，结构导向剂可以是三甲基金刚烷基氢氧化铵(AdaOH)、苄基氢氧化铵、苄基氯化铵或氯化胆碱。
在本发明的制造具有可控铝含量的沸石的方法中，在合成混合物中，基于1摩尔的二氧化硅(SiO2)，可以包括0.1摩尔至0.4摩尔的浓度的结构导向剂。
在本发明的制造具有可控铝含量的沸石的方法中，在合成混合物中，基于1摩尔的二氧化硅(SiO2)，可以包括0.1摩尔至0.7摩尔的浓度的氢氧化钠。
在本发明的制造具有可控铝含量的沸石的方法中，可以在0rpm至60rpm的转速下在120℃至140℃下进行水热反应2天至6天，结果制造出CHA。
有益效果
当如上面所描述的根据本发明通过控制CHA结构中的铝含量制造的沸石被用作催化剂时，可以产生改善沸石的催化活性和水热稳定性的效果。
此外，因为通过控制CHA框架中的铝含量而特性性质不同，所以制备的CHA沸石可以被应用于各种领域。
然而，本发明的效果不限于以上描述的效果，并且通过以下描述本领域技术人员将清楚地理解其它未提及的效果。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例制造具有可控铝含量的沸石的方法的流程图。
图2示出了本发明的制备示例1至制备示例6在煅烧前后的X射线衍射(XRD)图案。
图3是本发明的制备示例1至制备示例6的氮气吸附等温线。
图4示出了本发明的制备示例1至制备示例6的SEM图像。
图5是本发明的制备示例7至制备示例11在静止状态下进行水热反应之后的XRD图案。
图6示出了本发明的制备示例7至制备示例11的SEM图像。
图7是用于确定本发明的制备示例1至制备示例6的铝和硅的化学状态的NMR光谱。
图8是本发明的制备示例1至制备示例6的氨程序升温脱附(TPD)曲线。
图9示出了根据本发明的一个实施例的产物的Si/Al摩尔比相对于合成混合物的Na/Si摩尔比而改变的相关性曲线。
图10和图11示出了本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的水热稳定性。
图12和图13是示出本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的催化性能(NH3-SCR)的曲线图。
图14示出了说明本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的催化性能(甲醇制烯烃(MTO)反应)的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。
然而，本发明的实施例可以修改为各种其它形式，并且本发明的范围不限于以下描述的实施例。此外，提供本发明的实施例以向本领域的普通技术人员更完整地解释本发明。因此，为了清楚起见，在附图中可以夸大元件的形状、尺寸等，并且在附图中由相同的附图标记表示的元件是相同的元件。
图1是示出根据本发明的一个实施例的制造具有可控铝含量的沸石的方法的流程图。
图1公开了制造具有可控铝含量的沸石的方法。
S100是第一步骤，在该第一步骤中通过基于沸石Y调节结构导向剂和氢氧化钠的组成来制备合成混合物。这里，沸石Y可以是作为二氧化硅和氧化铝源的原材料。二氧化硅源的示例可以包括沸石、硅酸盐、二氧化硅水凝胶、硅酸、胶态二氧化硅、气相二氧化硅、原硅酸四烷基酯、二氧化硅氢氧化物和沉淀二氧化硅。此外，氧化铝源的示例可以包括铝酸钠(NaAlO2)、AlCl3、Al2(SO4)3、氢氧化铝(Al(OH)3)、高岭土、粘土和沸石。
结构导向剂可以是三甲基金刚烷基氢氧化铵(AdaOH)、苄基氢氧化铵、苄基氯化铵或氯化胆碱，此外，可以包括在CHA的制备中常用的其它材料。
合成混合物可以是其中氢氧化钠和结构导向剂的摩尔浓度已经被调节的水凝胶。在合成混合物中，基于1摩尔的二氧化硅(SiO2)，可以以例如0.1摩尔至0.7摩尔的浓度包括氢氧化钠，在这种情况下，可以以0.1摩尔至0.4摩尔的浓度包括结构导向剂。因此，制备的CHA的结构中的铝含量可以根据氢氧化钠的使用量而改变。
S200是第二步骤，在第二步骤中使上面描述的合成混合物经受水热反应和煅烧以制备CHA沸石。在将合成混合物添加到高压釜之后，在0rpm至60rpm的转速下，在120℃至140℃下进行水热反应2天至6天。通过离心、洗涤、然后在550℃下煅烧12小时来回收产物，可以获得CHA。
发明的实施方式
在下文中，将提供实验示例以便于理解本发明。然而，提供以下实验示例仅为了便于理解本发明，而不旨在限制本发明。
以下表1总结了用于制备CHA合成混合物的实验示例的合成条件。
[表1]
Figure BDA0002383285190000041
Figure BDA0002383285190000051
<制备示例1>
在40rpm的转速下在140℃下，使具有1.0SiO2:0.2NaOH:0.15AdaOH:22H2O的摩尔组成的合成混合物经受4天的水热反应。通过离心、洗涤、并且在550℃下煅烧12h来回收产物，从而获得CHA。
<制备示例2>
除了使用0.3的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例1中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例3>
除了使用0.4的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例1中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例4>
除了使用0.45的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例1中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例5>
除了使用0.5的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例1中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例6>
除了使用0.6的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例1中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例7>
在不旋转的静止状态下在140℃下，使具有1.0SiO2:0.2NaOH:0.14AdaOH:22H2O的摩尔组成的合成混合物经受4天的水热反应。通过离心、洗涤、并且在550℃下煅烧12h来回收产物，从而获得CHA。
<制备示例8>
除了使用0.3的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例7中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例9>
除了使用0.4的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例7中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例10>
除了使用0.45的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例7中的方式相同的方式合成CHA。
<制备示例11>
除了使用0.5的NaOH摩尔浓度来制备合成混合物之外，以与制备示例7中的方式相同的方式合成CHA。
图2示出了本发明的制备示例1至制备示例6在煅烧前后的XRD图案。
参考图2，可以看出的是，在所有制备示例1至制备示例6中都产生了具有优异结晶度的CHA，而与合成混合物中氢氧化钠的摩尔浓度无关。此外，可以看出的是，即使在煅烧之后，CHA的结晶度也得以良好地保持。
图3是本发明的制备示例1至制备示例6的氮气吸附-脱附等温线。
参见图3，可以看出的是，由于微孔的发展，获得了如表2中所示的具有大比表面积和大孔体积的CHA。
[表2]
BET比表面积(m<sup>2</sup>g<sup>-1</sup>) 孔体积<sup>a</sup>(cm<sup>3</sup>g<sup>-1</sup>)
制备示例1 857 0.33
制备示例2 834 0.31
制备示例3 813 0.32
制备示例4 793 0.32
制备示例5 781 0.31
制备示例6 682 0.27
a当P/P0是0.99时计算的总孔体积
参照表2，可以看出的是，除了从具有0.6的高氢氧化钠摩尔浓度的合成混合物制备CHA(其比表面积和孔体积显著变小)的情况之外，其它制备示例相比，随着氢氧化钠的摩尔浓度(即，添加量)增加，比表面积减小但孔体积没有显著改变。
图4示出了本发明的制备示例1至制备示例6的SEM图像。
参照图4，可以看出的是，在所有制备示例1至制备示例6中都产生了均匀尺寸的颗粒，并且颗粒尺寸根据合成混合物的氢氧化钠浓度而改变。因此，通过调节合成混合物的氢氧化钠浓度，可以在0.1μ.至5.0，通的宽泛的范围内调节颗粒尺寸。
图5是本发明的制备示例7至制备示例11在静止状态下进行水热反应之后的XRD图案。
参照图5，可以看出的是，即使在静止状态下进行水热反应的制备示例7至制备示例11中，也成功地合成了CHA。
图6示出了本发明的制备示例7至制备示例11的SEM图像。
参照图6，可以看出的是，即使在静止状态下进行水热反应的制备示例7至制备示例11中也产生了均匀尺寸的颗粒。此外，可以看出的是，即使在静止状态下进行水热反应时，也可以与在旋转下进行合成的情况类似地将颗粒尺寸调节至0.1μ.至5.0寸可的范围。
图7是用于确定本发明的制备示例1至制备示例6的铝和硅的化学状态的NMR光谱。
参考图7，可以看出的是，在制备示例1至制备示例6中制备的CHA的所有铝原子和硅原子在沸石框架中处于四面体配位。
以下表3总结了从图7计算的值。
[表3]
Figure BDA0002383285190000071
a从EDX结果计算的值；b从29Si MAS NMR光谱计算的值
参照表3，从EDX结果和29Si MAS NMR光谱获得的Si/Al摩尔比随着合成混合物的氢氧化钠浓度增加而降低。该结果表明沸石框架中的铝含量增加，并且表现出通过改变合成混合物的氢氧化钠浓度，可以在4至14的宽泛的范围内调节Si/Al摩尔比。
图8是本发明的制备示例1至制备示例6的氨程序升温脱附(TPD)曲线。
参照图8，可以看出的是，随着合成混合物的氢氧化钠含量改变，制备示例1至制备示例6中制备的CHA的铝含量改变，相应地，强酸位点和弱酸位点的强度和量不同。
以下表4总结了从图8计算的值。
[表4]
Figure BDA0002383285190000081
在表4中，弱酸位点的量从图8的TPD曲线中与低于300℃的温度对应的峰区域计算，强酸位点的量从图8的TPD曲线中与高于300℃的温度对应的峰区域计算，酸位点的总量是对应地弱酸位点的量和强酸位点的量的总和。这里，可以看出的是，合成混合物的氢氧化钠浓度越高，合成的CHA的铝含量越高，导致酸位点的总量的增加。
图9示出了根据本发明的一个实施例的产物的Si/Al摩尔比相对于合成混合物的Na/Si摩尔比而改变的相关性曲线。
在图9中，(a)从EDX结果拟合了合成混合物的Na/Si摩尔比与产物的Si/Al摩尔比之间的相关性曲线，(b)是从NMR光谱拟合的合成混合物的Na/Si摩尔比与产物的Si/Al摩尔比之间的相关性曲线。合成混合物的Na/Si摩尔比与合成的CHA的Si/Al摩尔比之间的相关性可以很好地拟合为二次函数。因此，通过调节合成混合物的氢氧化钠浓度，可以容易地且可重复地将CHA的铝含量调节到目标值。
图10和图11示出了本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的水热稳定性。
参照图10和图11，可以看出的是，当氢氧化钠的添加量大(制备示例6)时，合成了具有高铝含量的CHA，在这种情况下，即使在800℃水热处理之后，晶体结构也瓦解并且比表面积急剧减小。另一方面，可以看出的是，在铝含量相对低的制备示例1的情况下，即使在800℃水热处理之后，氮气吸附量也几乎不降低，这表明水热稳定性相当优异。
图12和图13是示出本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的催化性能(NH3-SCR)的曲线图。
参照图12和图13，可以看出的是，在水热处理之前，具有较高铝含量的CHA(制备示例6)在高温下表现出比其它催化剂更高的NH3-SCR活性，而在低于400℃下表现出比其它催化剂更低的NH3-SCR活性。水热处理后，随着铝含量越高，高温下的活性越低，特别是在具有最高铝含量的CHA(制备示例6)的情况下，在整个温度范围内几乎不显示活性。因此，由于在铝含量高时CHA的水热稳定性变得非常低，因此可以看出的是，通过控制合成混合物中的氢氧化钠含量，可以极大地改善所制造的CHA的水热稳定性。
图14示出了示出本发明的制备示例1、制备示例3和制备示例6的催化性能(甲醇制烯烃(MTO)反应)的图。
参照图14，可以看出的是，在铝含量合适的制备示例1和制备示例3的情况下，观察到对乙烯和丙烯的高选择性和MTO反应的缓慢失活，而在铝含量高的制备示例6的情况下，由于在沸石孔中形成焦炭，观察到快速失活。
因此，通过在沸石合成混合物的制备中适当地调节氢氧化钠的摩尔浓度，可以调节合成的CHA的铝含量，因此，改善用作催化剂的沸石的活性和水热稳定性。
此外，由于CHA结构中铝含量的控制引起制备的CHA的性质极大地改变，CHA可以被应用到各种领域。

Claims (6)

1.一种制造具有可控铝含量的沸石的方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤，通过基于沸石Y调节结构导向剂和氢氧化钠的组成来制备合成混合物；以及
第二步骤，通过使合成混合物经受水热处理和煅烧来制备CHA。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沸石Y是作为二氧化硅和氧化铝源的原材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，结构导向剂是三甲基金刚烷基氢氧化铵(AdaOH)、苄基氢氧化铵、苄基氯化铵或氯化胆碱。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在合成混合物中，基于1摩尔的二氧化硅(SiO2)包括0.1摩尔至0.4摩尔的浓度的结构导向剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在合成混合物中，基于1摩尔的二氧化硅(SiO2)包括0.1摩尔至0.7摩尔的浓度的氢氧化钠。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在0rpm至60rpm的转速下在120℃至140℃下进行水热反应2天至6天，结果制造出CHA。
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