CN104229819A - 一种强碱性介孔ets-10沸石分子筛的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介孔ETS-10沸石的合成方法，该合成方法是以水玻璃为硅源，所述水玻璃中，SiO2浓度为5.5-6mol/L,Na2O浓度为1.5-2mol/L；以三氯化钛为钛源，以N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵(记为TPOAB)为模板剂，具体包括如下步骤：(1)配制氢氧化钠和水玻璃的混合水溶液①，使得混合水溶液①中氢氧氧化钠的浓度为15-20wt.％，水玻璃的加入量以SiO2的终浓度计算为30.0-35.0wt.％；在混合水溶液①中加入三氯化钛溶液搅拌均匀；再加入浓度为15.0-20.0wt.％的氟化钾水溶液②，继续搅拌均匀；之后加入加入模板剂TPOAB，并搅拌均匀；(2)使步骤(1)获得的混合物在高压釜中晶化，从而得到介孔ETS-10沸石。本发明合成方法简单，合成的ETS-10沸石除传统沸石微孔结构外还具有大量的介孔结构。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种含有介孔孔结构的强碱性ETS-10沸石的合成方法。
(二)背景技术
新型钛硅沸石分子筛ETS-10自从1989年问世以来，就一直受到科学家们的广泛关注。该沸石的骨架是由SiO4四面体和TiO6八面体通过氧桥连接形成十二元环、七元环、五元环、三元环，构成三维孔道晶体结构。ETS-10沸石分子筛特有的骨架结构，使其具有高的热稳定性及抗酸性，显示出独特的择形催化性能以及离子交换和吸附能力。特别是，ETS-10沸石具有强碱性，可以作为固体碱催化剂直接用于碱催化的化学反应。尽管如此，ETS-10沸石分子筛较小的微孔孔径(0.8*0.5nm)也成为其作为催化剂和吸附剂广泛应用的重要缺陷，尤其是当反应物分子的尺寸超过了微孔沸石分子筛的孔口直径时这种缺陷则更加严重。
一个可供解决的途径是在微孔ETS-10沸石晶体内引入介孔。Claudiu等(Chem.Commun.2006,882-884)人采用双氧水并在微波辐射下处理微孔ETS-10沸石，通过破坏沸石的微孔晶格引入介孔。但是这种方法引入的介孔孔容量有限，而且沸石的微孔结构遭到严重破坏，大大降低了沸石的结晶度。
最近几年，人们尝试利用不同的模板技术制备具有介孔结构的沸石晶体。如采用纳米活性碳、碳的气凝胶以及碳纳米管为模板硬模板或用各种高分子聚合物为软模板，合成了具有BEA、MFI等结构的介孔沸石以及磷铝介孔沸石。但是到目前为止，仍然没有采用模板方法直接合成具有介孔结构的ETS-10沸石分子筛的专利和文献报道。这主要是因为在ETS-10沸石的合成体系中，钛、硅物种极易形成粘滞的凝胶，使得其与模板剂相互作用弱，难以起到形成介孔的模板作用。
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种直接合成介孔ETS-10沸石的方法，通过在合成ETS-10沸石的过程中引入一种具有介观尺度的N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵(TPOAB)作为软模板剂，使之与合成过程中的无机物种产生良好的相互作用，在晶化过程中在ETS-10沸石晶体内直接形成介孔结构。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种介孔ETS-10沸石的合成方法，所述的合成方法是以水玻璃为硅源，所述水玻璃中，SiO2浓度为5.5-6mol/L,Na2O浓度为1.5-2mol/L；以三氯化钛为钛源，以N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵(记为TPOAB)为模板剂，具体包括如下步骤：
(1)配制氢氧化钠和水玻璃的混合水溶液①，使得混合水溶液①中氢氧氧化钠的浓度为15-20wt.％，水玻璃的加入量以SiO2的终浓度计算为30.0-35.0wt.％；在混合水溶液①中加入三氯化钛溶液搅拌均匀；再加入浓度为15.0-20.0wt.％的氟化钾水溶液②，继续搅拌均匀；之后加入加入模板剂TPOAB，并搅拌均匀；各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计为(3.0-4.0)：(0.5-2)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.80)：(120-200)，其中Na2O的摩尔数为水玻璃和氢氧化钠中含有的钠元素的总和计；
(2)使步骤(1)获得的混合物在高压釜中晶化，从而得到介孔ETS-10沸石。
本发明所述的水玻璃、三氯化钛和氟化钾和N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵均使用工业产品。
进一步，各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计优选为(3.0-3.5)：(1.5-2)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.75)：(140-180)。
更进一步，各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计优选为3.3：(1.6-1.8)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.75)：(140-180)。
再更进一步，各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计最优选为3.3：1.8：1.0：7.1：0.75：163。
进一步，步骤(1)中，在混合水溶液①中加入三氯化钛溶液，搅拌40-60min；再加入浓度为15.0-20.0wt.％的氟化钾水溶液②，继续搅拌20-30min；之后加入加入模板剂TPOAB，并搅拌60-90min。
本发明所述的晶化反应与合成传统沸石分子筛所用的条件和设备基本相同。
步骤(2)所述的晶化条件推荐为：晶化温度为200-230℃，晶化时间为48～80小时。
进一步，晶化温度优选为220～230℃，晶化时间优选为50～72小时。
更进一步，晶化温度优选为230℃。
更进一步，增加晶化时间有利于介孔的形成，最优选晶化时间为72小时。
本发明获得的介孔ETS-10沸石比表面积在260～350m2/g，介孔孔容在0.12～0.20m3/g。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
a)本发明利用N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵为软模板，通过传统的水热方法直接合成了含有介孔结构的ETS-10沸石。合成的ETS-10沸石具有传统沸石微孔结构的同时，还具有大量的介孔结构。因此，该产品在大分子精细化学品合成领域作为催化剂或催化剂的载体使用具有广阔的应用前景，例如其在诺文葛尔反应中作为催化剂具有良好的催化性能，可大大提高原料转化率。
b)该产品的合成方法简单、对设备要求不高，生产沸石分子筛的企业利用现有的设备即可投入生产。
(四)附图说明
图1为合成的介孔ETS-10沸石(实验例8)的扫描电镜照片
图2为合成的介孔ETS-10沸石(实验例8)的高分辨透射电镜照片。
图3为合成的介孔ETS-10沸石(实验例8)的吸附等温线和孔分布曲线。
(五)具体实施方式
下面结合实验对象对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明实施例用到的原料和溶液如下：
水玻璃组成：SiO2:5.6788mol/L，Na2O:1.5466mol/L，H2O:48.5209mol/L；
溶液①：将2g NaOH溶解到6g H2O中，再加入10mL水玻璃制得；
溶液②：将2.4g KF溶解到12g H2O中制得。
实验例1
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加2mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在220℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.43：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例2
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加2mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在220℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.43：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例3
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加2mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.43：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例4
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加2mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应66小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.43：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例5
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加2mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.43：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例6
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在220℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.75：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例7
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.75：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例8
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.8：1.0：7.1：0.75：163。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例9
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.1：0.75：161。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例10
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应66小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.1：0.75：161。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例11
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.1：0.75：161。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例12
调整溶液①为：将2.5g NaOH溶解到6g H2O中，再加入11mL水玻璃制得；
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.7：0.75：168。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例13
调整溶液①为：将2.5g NaOH溶解到6g H2O中，再加入11mL水玻璃制得；
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应66小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.7：0.75：168。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例14
调整溶液①为：将2.5g NaOH溶解到6g H2O中，再加入11mL水玻璃制得；
取溶液①并向其中加入7mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入7.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：7.7：0.75：168。所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质见表1。
实验例15
取溶液①并向其中加入8mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应60小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：6.2：0.65：142。所制得的介孔ETS-10沸石的结构性质见表1。
实验例16
取溶液①并向其中加入8mL的TiCl3溶液搅拌40分钟，之后加入8.2mL溶液②，搅拌1小时，再加3.5mL的TPOAB搅拌40分钟，之后将混合物移到反应釜中密封，在230℃反应72小时。体系中各物料的摩尔比Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O记为3.3：1.6：1.0：6.2：0.65：142。所制得的介孔ETS-10沸石的结构性质见表1。
表1.所制得的介孔ETS-10沸石的织构性质。
对比实施例1：传统ETS-10沸石的制备
传统ETS-10沸石的合成步骤与实施例8中的介孔ETS-10沸石的合成步骤相比，除了不需要加入模板剂外，其它均相同。所制得的微孔ETS-10沸石的织构性质见表2：
表2相同条件下合成的介孔ETS-10沸石和传统ETS-10沸石的结构性质
表2为合成的介孔ETS-10沸石(实施例8制备)和传统ETS-10沸石的BET表面积、介孔孔容、微孔孔容。明显地，传统ETS-10沸石几乎没有介孔(介孔孔容仅为0.02cm3/g)，而介孔ETS-10沸石的介孔孔容为0.19cm3/g。它们的BET表面积和微孔孔容相差不大。
对比实施例2：软模板剂的优选
早在之前本实验小组报导的关于介孔Y沸石的相关专利中也提到了软模板剂法，其中就用到了类似的软模板剂N，N-二乙基-N-十六烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)碘化铵(DMMC)，虽然与本专利中合成介孔ETS-10沸石用到的软模板剂N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵(TPOAB)较为相似，但对于最终合成出的介孔ETS-10的作用有着较大的差异。我们将以DMMC作为软模板合成出的介孔ETS-10记为DM-ETS-10，以TPOAB合成出的介孔ETS-10记为TM-ETS-10，两者均按实施例8制备，织构性质见表3。
表3相同条件下不同软模板剂合成的介孔ETS-10的结构性质
实施例17：合成的介孔ETS-10沸石在诺文葛尔反应中的催化性能测试
反应在25mL的玻璃管密封反应器中进行，油浴加热。反应管中依次加入20mg催化剂，2.5mmol柠檬醛和2.5mmol氰基乙酸乙酯作为反应物，最后加入5mL无水乙醇作为溶剂，50℃反应2h。介孔TMETS-10(实施例8)、介孔DMETS-10(对比实施例2)和微孔ETS-10沸石(对比实施例1)作为强碱性催化剂，催化活性结果比较见附表4。
表4.不同催化剂上诺文葛尔反应的活性比较
| 催化剂 | 柠檬醛转化率(％) | 产物选择性(％) |
| 微孔ETS-10 | 47.7 | >99 |
| TMETS-10 | 63.2 | >99 |
| DMETS-10 | 52.2 | >99 |
Claims (9)
1.一种介孔ETS-10沸石的合成方法，所述的合成方法是以水玻璃为硅源，所述水玻璃中，SiO2浓度为5.5-6mol/L,Na2O浓度为1.5-2mol/L；以三氯化钛为钛源，以N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵为模板剂，所述的N,N-二乙基-N-十八烷基-N-(3-甲氧基硅烷丙烷)溴化铵记为TPOAB，具体包括如下步骤：
(1)配制氢氧化钠和水玻璃的混合水溶液①，使得混合水溶液①中氢氧氧化钠的浓度为15-20wt.％，水玻璃的加入量以SiO2的终浓度计算为30.0-35.0wt.％；在混合水溶液①中加入三氯化钛溶液搅拌均匀；再加入浓度为15.0-20.0wt.％的氟化钾水溶液②，继续搅拌均匀；之后加入加入模板剂TPOAB，并搅拌均匀；各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计为(3.0-4.0)：(0.5-2)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.80)：(120-200)，其中Na2O的摩尔数为水玻璃和氢氧化钠中含有的钠元素的总和计；
(2)使步骤(1)获得的混合物在高压釜中晶化，从而得到介孔ETS-10沸石。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于：各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计为(3.0-3.5)：(1.5-2)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.75)：(140-180)。
3.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于：各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计优选为3.3：(1.6-1.8)：1.0：(6.0-8.0)：(0.40-0.75)：(140-180)。
4.如权利要求3所述的合成方法，其特征在于：各原料的投料摩尔比以Na2O：K2O：TiO2：SiO2：TPOAB：H2O计为3.3：1.8：1.0：7.1：0.75：163。
5.如权利要求1～4之一所述的合成方法，其特征在于：步骤(1)中，在混合水溶液①中加入三氯化钛溶液，搅拌40-60min；再加入浓度为15.0-20.0wt.％的氟化钾水溶液②，继续搅拌20-30min；之后加入加入模板剂TPOAB，并搅拌60-90min。
6.如权利要求1～4之一所述的合成方法，其特征在于：步骤(2)所述的晶化条件为：晶化温度为200-230℃，晶化时间为48～80小时。
7.如权利要求6所述的合成方法，其特征在于：晶化温度为220～230℃，晶化时间为50～72小时。
8.如权利要求7所述的合成方法，其特征在于：晶化温度为230℃。
9.如权利要求8所述的合成方法，其特征在于：晶化时间为72小时。
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