肖丰收教授课题组设计合成纳米分子筛的快速路线

来源：研之成理

DOI: S1872-2067(19)63280-8

2019年6月，《催化学报》在线发表了浙江大学大学肖丰收教授团队在分子筛合成领域的最新研究成果。该工作报道了高温下合成纳米分子筛的策略。论文第一作者为：章芬，论文共同通讯作者为：孟祥举。

Omega 沸石属于 MAZ 拓扑结构，具有较宽的 12 元环孔道和狭窄的 8 元环孔道，在芳烃烷基化、加氢裂化、长链烷烃和芳烃的异构化等反应中表现出较好的性能。与一般低硅沸石相比，Omega 沸石合成时间较长，在100-140°C通常需要7-10天。如何快速合成Omega沸石特别是纳米Omage沸石是一个具有挑战性的课题。 

应用阿伦尼乌斯公式来确认反应温度与时间的关系在催化领域中比较常见，在分子筛晶化过程中很少研究。在本论文中，首先研究了 Omega 沸石在相对低的晶化温度下的情况，应用阿伦尼乌斯公式得到了晶化时间和晶化温度之间的关系。基于这个关系，设计了高温下 Omega 沸石的快速合成 ，在180°C条件下短短 5 h 就可以得到纳米棒状的 Omega 沸石。该条件下合成的Omega 沸石具有高的结晶度和规整的纳米棒状结构。

图1. 在不同温度下合成Omega沸石的晶化曲线 (a)100, (b)110, (c)120, (d)130, (e)150°C

要点：图1显示 MAZ 沸石在合成温度从 100-150°C下的晶化曲线图。MAZ沸石合成过程中晶化时间非常依赖于晶化温度。例如，在 100°C下合成 MAZ 沸石需要 240 h，而在 150 °C下只需要 17 h。考虑到沸石的晶化过程可以粗略看成一个动力学过程，因此 Omega 沸石的生长可以用以下阿伦尼乌斯公式表达：

lnR1 = constant + (-Ea/RT)            eq.(1)

其中，R1 代表晶化速率，Ea是晶化的活化能，T 代表晶化温度。由于晶化时间的倒数与晶化速率线性相关，所以方程（1）可以简化为方程（2），如下：

ln(1/t) = C–Ea/RT                eq. (2)

其中， t 代表晶化时间。若 100~150°C下的 ln(1/t)与 1/T 的值相关，可以得到如图2所示的线性关系。通过上述线性关系中的斜率可以推出Omega 沸石的晶化活化能约为 70.0 kJ·mol-1。因此，可以通过方程（2）预测不同温度下合成 Omega 沸石所需的晶化时间：若晶化温度为 160 °C，晶化时间理论上可以缩短为 8.5 h。当晶化温度升高至 180 °C可以进一步缩短为 3.6 h。

图2. 合成Omega沸石的Arrhenius方程

在上述方程指导下，Omega沸石在180 °C晶化5.5小时可以得到高结晶度的纳米粒子，并且负载Pt后在十二烷的加氢异构反应中，表现出优异的催化性能。

1.研究了Omega沸石晶化温度和时间的关系，并且根据Arrhenius推导出晶化活化能；

2.根据上述推导，预测Omega沸石在不同温度下的晶化时间，并根据预算在高温下实现纳米Omega沸石的快速合成；

3.该方法可以推广到其它沸石分子筛的合成中，实现沸石分子筛的高效合成。