沸石分子篩具有特的規(guī)整晶體結(jié)構(gòu),其中每一類都具有一定尺寸、形狀的孔道結(jié)構(gòu),并具有較大比表面積。
大部分沸石分子篩表面具有較強的酸中心,同時晶孔內(nèi)有強大的庫侖場起極化作用。這些特性使它成為性能的催化劑。
多相催化反應(yīng)是在固體催化劑上進(jìn)行的,催化活性與催化劑的晶孔大小有關(guān)。沸石分子篩作為催化劑或催化劑載體時,催化反應(yīng)的進(jìn)行受到沸石分子篩晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形狀都可以對催化反應(yīng)起著選擇性作用。在一般反應(yīng)條件下沸石分子篩對反應(yīng)方向起主導(dǎo)作用,呈現(xiàn)了擇形催化性能,這一性能使沸石分子篩作為催化新材料具有強大生命力。
沸石分子篩材料的廣泛應(yīng)用(例如:吸附分離、離子交換、催化),是與其結(jié)構(gòu)特點密不可分的。例如,吸附分離性能取決于分子篩的孔道和孔體積的大?。浑x子交換性能取決于分子篩中陽離子的數(shù)目、位置及其孔道的可通行性;催化過程中表現(xiàn)出的擇形性與分子篩的孔道尺寸、走向相關(guān),而催化反應(yīng)中的中間產(chǎn)物以及后產(chǎn)品和分子篩的孔道維數(shù)或其籠結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此,分子篩的結(jié)構(gòu)是研究分子篩材料的基本問題。
分子篩的骨架中存在一特征籠狀結(jié)構(gòu)單元,而籠狀結(jié)構(gòu)單元又是根據(jù)確定它們多面體的多元環(huán)來描述的。例如,我們所熟悉的SOD籠它由八個六元環(huán)和六個四元環(huán)來組成的,一般簡寫成4668。不同的分子篩骨架會含有相同的籠狀結(jié)構(gòu)單元,換句話說,同一個籠狀結(jié)構(gòu)單元通過不同連接方式會形成不同的分子篩骨架結(jié)構(gòu)類型。一個經(jīng)典的例子就是SOD籠。
SOD籠間通過本身的共面連接形成的是SOD沸石分子篩;SOD籠間通過雙四元環(huán)的連接,形成的是LTA型分子篩;SOD籠間通過雙六元環(huán)的連接,形成的是FAU和EMT沸石分子篩。
另外,在沸石分子篩骨架結(jié)構(gòu)中,常會發(fā)現(xiàn)一些特征的鏈和二維三連接的網(wǎng)層結(jié)構(gòu)以及周期性結(jié)構(gòu)單元(PBU)。我們?yōu)槌R姷奈宸N鏈狀結(jié)構(gòu)為是Pentasil鏈、雙鋸齒形鏈、雙之字形鏈、雙機軸鏈和短柱石鏈。由邊共享的籠所組成的Pentasil鏈?zhǔn)歉吖璺惺肿雍Y家族的一個特征鏈。具有代表性的,MFI的骨架結(jié)構(gòu)就是由Pentasil鏈構(gòu)成。平行堆積的二維三連接網(wǎng)層通過上下取向的三連接頂點間相互連接形成三維四連接的骨架結(jié)構(gòu)。例如,GIS類型骨架結(jié)構(gòu)是由4.82二維網(wǎng)層結(jié)構(gòu)上下連接而成。
對于沸石分子篩的形成及其生長機理的深入研究有助于人們更好的設(shè)計合成新型沸石分子篩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、擴展沸石分子篩材料合成新路線、開發(fā)沸石分子篩材料的新性質(zhì)及新用途。盡管沸石分子篩的發(fā)展已經(jīng)有許多年了,但是對于它的合成機理方面一直未有一個真正的定論。研究分子篩的晶化機理即具有十分重要的理論意義,也對合成新型的沸石分子篩合成具有實際的指導(dǎo)意義。目前具有代表性的為固相轉(zhuǎn)變機理(Solid hydrogel Transformation mechanism)、液相轉(zhuǎn)變機理(Solution-mediated Transport mechanism)和雙相轉(zhuǎn)變機理這三種機理。
合成沸石分子篩的基本原料有:硅源、鋁源、堿源、金屬陽離子、其它礦化劑、模板劑和水等。常用的硅源有白炭黑、硅溶膠、固體硅膠、有機硅酸酯、水玻璃等。常用的鋁源有偏鋁酸鈉、硫酸鋁、薄水鋁石、金屬鋁、硝酸鋁、異丙醇鋁、氫氧化鋁等。堿源有氫氧化鈉,氫氧化鉀等。金屬陽離子包括堿金屬陽離子和堿土金屬離子如:Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+等。分子篩合成的礦化劑有兩種:氫氧根離子和氟離子。模板劑有各種含氮的有機物、季磷鹽等。
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