納米NaY分子篩的合成優(yōu)化

常彥斌， 王　健， 崔杏雨， 陳樹偉， 李瑞豐,

(1.太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué) 精細(xì)化工研究所， 山西 太原 030024)

納米NaY分子篩的合成優(yōu)化

常彥斌1， 王健1， 崔杏雨2， 陳樹偉1， 李瑞豐1,2

(1.太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué) 精細(xì)化工研究所， 山西 太原 030024)

摘要：以工業(yè)級(jí)水玻璃為硅源，在無模板劑、無導(dǎo)向劑、無添加劑的條件下，成功地合成了粒徑小于100 nm的NaY分子篩，并采用XRD、FT-IR、SEM、粒度分析、N2吸附-脫附、ICP、29Si和27Al NMR等手段對(duì)其進(jìn)行表征。考察了合成體系中n(Na2O)/n(Al2O3)、n(H2O)/n(Al2O3)及初始凝膠陳化溫度與陳化時(shí)間對(duì)NaY分子篩晶粒大小的影響，并與常規(guī)工業(yè)NaY進(jìn)行比較。結(jié)果表明，增大n(Na2O)/n(Al2O3)，有利于減小NaY分子篩的晶粒尺寸，但同時(shí)也降低了其相對(duì)結(jié)晶度，當(dāng)n(Na2O)/n(Al2O3)大于17時(shí)，導(dǎo)致NaY分子篩向P型分子篩轉(zhuǎn)變；降低n(H2O)/n(Al2O3)，有利于生成小晶粒NaY分子篩，但當(dāng)n(H2O)/n(Al2O3)低于240時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)P型雜晶。NaY分子篩的平均粒徑隨著初始凝膠陳化溫度的升高而減小，但當(dāng)陳化溫度達(dá)到70℃時(shí)， 得到P型分子篩產(chǎn)物；隨著初始凝膠陳化時(shí)間的延長，NaY分子篩的粒徑逐漸變小，陳化時(shí)間長于5 h時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)P型雜晶。在n(Na2O)/n(Al2O3)為16、n(H2O)/n(Al2O3)為360、65℃陳化4 h的優(yōu)化合成條件下，合成了平均粒徑在80 nm左右且粒度分布較窄的NaY分子篩，其骨架nSi/nAl=2.18。

關(guān)鍵詞：納米分子篩； NaY分子篩； 導(dǎo)向劑； 堿度； 合成

Y型分子篩中相互交錯(cuò)排列的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予了其穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的籠狀結(jié)構(gòu)，具有較高的熱穩(wěn)定性及水熱穩(wěn)定性、較高的比表面積、均一規(guī)整的孔道，以及優(yōu)異的吸附、離子交換、催化等性能，從而使其在氣體吸附分離、石油催化裂化、環(huán)境保護(hù)、新功能材料、離子交換和光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。常規(guī)合成的Y型分子篩粒徑一般在800～1000 nm，作為催化劑或催化劑載體時(shí)，反應(yīng)和產(chǎn)物分子在分子篩中的擴(kuò)散路徑較長、擴(kuò)散阻力較大、活性中心的有效利用率較低，很大程度上限制了其吸附和催化作用的有效發(fā)揮，尤其是在涉及大分子的反應(yīng)中，更易形成二次反應(yīng)，甚至結(jié)焦而導(dǎo)致催化劑失活。

納米Y分子篩由于具有更大的外表面積、更多的有效酸性位點(diǎn)和活性中心、更短的孔道結(jié)構(gòu)和更高的晶內(nèi)擴(kuò)散速率，在提高催化劑的利用率、增強(qiáng)大分子轉(zhuǎn)化能力、減小深度反應(yīng)和提高選擇性、降低結(jié)焦失活等方面均表現(xiàn)出優(yōu)越的性能[5-9]。向合成體系中添加導(dǎo)向劑[10-13]并優(yōu)化合成條件，可以合成出晶粒尺寸幾百納米的Y型分子篩，但缺點(diǎn)是粒徑分布較寬達(dá)不到納米級(jí)，存在嚴(yán)重聚集現(xiàn)象；向合成體系中加入有機(jī)模板劑TMAOH[14-16]、雙模板劑-四甲基氫氧化銨(TMAOH)或四甲基溴化銨[17]可以合成出粒度分布均一的納米級(jí)NaY型分子篩，但成本高、收率低、合成周期長，模板劑的去除需要高溫煅燒，會(huì)造成能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、顆粒團(tuán)聚等。程志林等[18]利用微波合成技術(shù)成功合成了晶粒小、分布均勻的納米Y型分子篩，但是該方法難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 Tang等[19]采用空間限制法，在炭納米管的介孔中合成了20～30 nm的Y型分子篩，但惰性介質(zhì)需高溫焙燒除去，從而導(dǎo)致納米晶粒的團(tuán)聚。

筆者試圖在無模板劑、無導(dǎo)向劑、無添加劑的條件下，采用兩步合成法合成小于100 nm NaY分子篩，以適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用的需要。通過控制初始凝膠的堿度n(Na2O)/n(Al2O3)、n(H2O)/n(Al2O3)、陳化溫度及陳化時(shí)間等，成功合成了平均粒徑在80 nm 左右的高相對(duì)結(jié)晶度NaY分子篩。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑

水玻璃，工業(yè)級(jí)，模數(shù)為2.0，青島海洋化工有限公司產(chǎn)品；偏鋁酸鈉，化學(xué)純，w(Al2O3)≥41%,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；氫氧化鈉、濃硫酸、硫酸鋁，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；去離子水，自制。

1.2納米NaY分子篩的合成

將5 g硫酸鋁溶于10 g去離子水中，向其中滴加1 mL濃硫酸，攪拌至完全溶解，得到酸化硫酸鋁溶液。

在燒杯中，將一定量的NaOH溶于去離子水中，加入2.07 g固體NaAlO2，攪拌至混合液澄清使其完全溶解。之后向混合溶液中滴加19.8 g的水玻璃，室溫下劇烈攪拌1 h，得到具有特定的n(Na2O)∶n(SiO2)∶n(A12O3)∶n(H2O)比例的硅鋁凝膠。將得到的硅鋁凝膠轉(zhuǎn)移至恒溫水浴中，在45～60℃的狀態(tài)下恒溫?cái)嚢? h，取出，自然冷卻至室溫，得到第一步均相混合凝膠。

在室溫、劇烈攪拌的情況下，將酸化硫酸鋁溶液逐滴加入52 g第一步所得均相混合凝膠中，繼續(xù)攪拌得到透明均一凝膠。 然后裝入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，于90℃的電熱恒溫烘箱中晶化24 h。產(chǎn)物經(jīng)去離子水多次洗滌至pH值為7～8，抽濾，烘干得到NaY分子篩。

1.3NaY分子篩的表征

采用日本島津Shimadzu XRD-6000型粉末X射線衍射儀(CuKα輻射源、鎳濾波)，在管電壓40 kV、管電流30 mA，2θ掃描范圍5°～35°、掃描速率8°/min、步長0.02°的條件下，表征樣品物相，并用謝樂公式(見式(1))計(jì)算晶粒尺寸。

(1)

式(1)中，D為晶粒尺寸，nm；k表示謝樂常數(shù)，k=0.89；λ為入射X射線波長；B表示樣品特征衍射峰的半峰寬，弧度；θ為布拉格角度。

采用Shimadzu IR Affinity-Ⅰ型傅里葉變換-紅外光譜儀進(jìn)行樣品的紅外光譜分析(FT-IR)。掃描范圍400～1400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)36次，檢測器DLTGS。采用日本HITACHI S-4800 型冷場發(fā)射掃描電鏡觀察NaY型分子篩晶體的表面形貌和顆粒尺寸分布。采用日本掘場LA-300型粒度分析儀表征NaY分子篩的平均粒度和粒度分布。采用美國Quantachrome儀器公司QUADRASORB SI型吸附儀測定樣品的N2吸附-脫附等溫線，計(jì)算比表面積、孔體積等物理參數(shù)。采用Bruker Avance Ⅲ 500MHz型核磁共振儀，分別以TMS和飽和硫酸鋁溶液為內(nèi)標(biāo)，測試29Si及27Al MAS NMR譜，計(jì)算分子篩的骨架硅/鋁比。采用美國TJA公司IRIS-ICP儀測定NaY分子篩中的硅和鋁元素。

2結(jié)果與討論

2.1制備條件對(duì)納米NaY分子篩的影響

2.1.1n(Na2O)/n(Al2O3)的影響

改變氫氧化鈉的加入量，使硅鋁凝膠體系中n(Na2O)/n(Al2O3)在13～18范圍內(nèi)變化，制備得到一系列NaY分子篩產(chǎn)物，它們的XRD譜示于圖1。由圖1可知，當(dāng)n(Na2O)/n(Al2O3)在13～16內(nèi)變化時(shí)，產(chǎn)物均具有明顯的Y型分子篩的特征衍射峰，而且基線水平、平滑，無雜峰出現(xiàn)，表明此條件下得到的目的產(chǎn)物為純相NaY分子篩；隨著n(Na2O)/n(Al2O3)從13增加到16，產(chǎn)物的特征衍射峰的強(qiáng)度逐漸降低，表明合成樣品的結(jié)晶度逐步下降；半峰寬發(fā)生了明顯的寬化現(xiàn)象，根據(jù)謝樂公式計(jì)算可知，n(Na2O)/n(Al2O3)為13、14、15、16時(shí)，產(chǎn)物的平均晶粒分別為98、88、58、和45 nm，晶粒尺寸逐漸減小。相對(duì)結(jié)晶度的降低與晶粒的減小主要是因?yàn)楦邏A度條件下的促進(jìn)成核作用。在較高的堿度條件下，由于分子篩表面與反應(yīng)溶膠之間存在著溶解和沉淀競爭，而較高的堿度可以提供更多的氫氧根離子，加速了固體溶解過程，使得分子篩固體發(fā)生一定的溶解現(xiàn)象，造成合成樣品的結(jié)晶度隨之下降，顆粒尺寸也相應(yīng)減小。由圖1 還可見，當(dāng)n(Na2O)/n(Al2O3)達(dá)到17時(shí)，產(chǎn)物的NaY特征衍射峰的強(qiáng)度明顯降低，而且一部分的特征衍射峰消失。這可能就是因?yàn)椋瑝A度過大造成了合成的NaY分子篩的晶體溶解，阻礙NaY分子篩的生成。若繼續(xù)提高n(Na2O)/n(Al2O3)至18，會(huì)發(fā)現(xiàn)合成產(chǎn)物為P型分子篩。

圖1　不同n(Na2O)/n(Al2O3)合成體系

圖2為不同n(Na2O)/n(Al2O3)合成的NaY型分子篩的掃描電鏡照片。由圖2可見，以n(Na2O)/n(Al2O3)=13合成的NaY分子篩晶體粒徑分布均一、棱角分明、晶型完美、沒有殘余的無定型硅鋁碎片，是典型的八面Y沸石結(jié)構(gòu)，與XRD表征結(jié)果一致；隨著n(Na2O)/n(Al2O3)的增大，合成的NaY分子篩的平均粒徑越來越小，結(jié)晶度越來越低，團(tuán)聚越來越嚴(yán)重。

圖2　不同n(Na2O)/n(Al2O3)合成體系合成NaY分子篩的SEM照片

2.1.2n(H2O)/n(Al2O3)的影響

在其它合成條件不變的情況下，調(diào)整初始反應(yīng)硅鋁溶膠的水含量，使n(H2O)/n(Al2O3)在240～420范圍內(nèi)變化，制備NaY分子篩。得到的產(chǎn)物的XRD譜示于圖3。

圖3　不同n(H2O)/n(Al2O3)合成體系

由圖3可知，當(dāng)n(H2O)/n(Al2O3)在300～420時(shí)，合成所得NaY分子篩產(chǎn)物的XRD譜的基線平滑，晶相結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，為典型的FAU沸石的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且沒有其他雜峰。隨n(H2O)/n(Al2O3)的增大，衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說明產(chǎn)物結(jié)晶度增加；半峰寬減小，根據(jù)謝樂公式計(jì)算得到n(H2O)/n(Al2O3)為300、360和420時(shí)的NaY晶粒尺寸分別為44 nm、52 nm和68 nm，晶粒尺寸在逐步變大。分子篩晶粒增大的原因可能是水含量增加使合成體系中溶液濃度變小，反應(yīng)物之間的距離增加，抑制了分子篩的成核速率，減小了晶核數(shù)量的生成， 較少的晶核又導(dǎo)致較大的分子篩晶粒形成。 當(dāng)n(H2O)/n(Al2O3)=240時(shí)，在2θ為12.6°、28.18°處出現(xiàn)了明顯的NaP型分子篩的特征衍射峰。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)水含量較少，導(dǎo)致合成體系的堿度過大，而Y型分子篩不穩(wěn)定，在高堿度合成體系中容易轉(zhuǎn)化為P型分子篩。

圖4為不同n(H2O)/n(Al2O3)合成體系合成NaY分子篩的SEM照片。由圖4可知，其表征結(jié)果與XRD表征結(jié)果相吻合。

圖4　不同n(H2O)/n(Al2O3)合成體系合成NaY分子篩SEM照片

2.1.3陳化溫度的影響

圖5為不同陳化溫度下合成的NaY分子篩的XRD譜。由圖5可見，在45～65℃陳化溫度下，合成的NaY分子篩均是物相結(jié)構(gòu)單一，沒有雜相出現(xiàn)；而當(dāng)陳化溫度升至70℃時(shí)，明顯有NaP型分子篩的特征衍射峰出現(xiàn)，表明陳化溫度不宜太高；當(dāng)陳化溫度高于70℃時(shí)，出現(xiàn)NaY分子篩向P型分子篩轉(zhuǎn)化，不能使晶核成長為結(jié)晶度良好且無缺陷的晶體。由圖5還可見，隨著陳化溫度從45℃升至65℃，NaY分子篩的特征衍射峰的強(qiáng)度逐漸減弱，說明NaY分子篩的相對(duì)結(jié)晶度在逐漸降低；半峰寬逐漸寬化，即晶粒尺寸逐漸減小。這也證明了晶體的生長分為成核期和誘導(dǎo)期兩個(gè)階段，而陳化過程也就是分子篩晶體的成核過程；當(dāng)陳化溫度高且適宜，有利于縮短晶體生長的誘導(dǎo)期，從而有利于分子篩的快速晶化。

圖5　不同陳化溫度(T)合成NaY分子篩的XRD譜

圖6為不同陳化溫度條件下合成的NaY分子篩的掃描電鏡照片。由圖6可知，隨著陳化溫度的升高，晶體的粒徑逐漸減小，而且晶粒越來越均勻，晶粒尺寸分布越來越窄，結(jié)晶度逐步下降。因此，只有控制陳化溫度在適宜的范圍，才能控制所合成的晶粒尺寸，在反應(yīng)過程中晶核才有足夠的時(shí)間穩(wěn)定，在升溫晶化過程中，各晶核才能同步生長，從而得到晶粒微小且粒度分布均勻的納米分子篩晶體[20]。

圖6　不同陳化溫度(T)合成的 NaY分子篩的SEM照片

2.1.4陳化時(shí)間的影響

圖7為不同陳化時(shí)間合成的NaY分子篩的XRD譜。由圖7可知，在陳化時(shí)間為2～4 h時(shí)合成的分子篩產(chǎn)品物相單一，均具有NaY分子篩的衍射特征峰，未出現(xiàn)非Y分子篩晶相；隨著初始凝膠陳化時(shí)間的繼續(xù)延長，當(dāng)陳化時(shí)間為5 h時(shí)，合成樣品已經(jīng)基本沒有Y型分子篩的特征衍射峰。當(dāng)陳化時(shí)間從2 h增至5 h時(shí)，NaY分子篩特征衍射峰的半峰寬逐漸變寬，即平均粒徑逐漸減小；衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，從側(cè)面反映了合成的NaY分子篩的結(jié)晶度降低。在常溫下形成的硅鋁凝膠難以成核，而在較高陳化溫度下，隨著陳化時(shí)間的延長，成核速率加快，晶核數(shù)量逐漸增多，最終合成的NaY分子篩容易生成小晶粒。

圖7　不同陳化時(shí)間合成的NaY分子篩的XRD譜

圖8為不同陳化時(shí)間下合成的NaY分子篩的SEM照片。由圖8可知，隨著陳化時(shí)間的延長，晶粒的團(tuán)聚逐步減輕；平均晶粒尺寸在伴隨著分子篩大顆粒的數(shù)目的減少而減小，粒徑分布越來越均勻。分子篩的晶化過程包括成核和晶體生長兩個(gè)過程，都需要消耗合成體系中的硅源和鋁源，最終所合成晶體的平均粒徑取決于晶體的這兩個(gè)過程的平均速率的比值，而陳化過程加快了成核速率使合成體系可以比較快的在誘導(dǎo)期形成更多的晶核，從而抑制大晶粒NaY分子篩的生成，最終合成出的NaY分子篩的平均晶粒尺寸比較小。

圖8　不同陳化時(shí)間合成的NaY分子篩的SEM照片

2.2優(yōu)化條件下合成的納米NaY分子篩的表征結(jié)果

選取最優(yōu)的合成條件，即初始凝膠組成n(Na2O)∶n(Al2O3)∶n(SiO2)∶n(H2O)=16∶1∶15∶360，酸化硫酸鋁酸度1.15 mol/L，陳化溫度65℃，陳化時(shí)間4 h，晶化溫度90℃，晶化時(shí)間24 h，合成納米NaY分子篩，記為N-NaY。比較用的工業(yè)NaY分子篩(n(Si)/n(Al)=2.5)記為F-NaY。

2.2.1XRD表征結(jié)果

圖9為N-NaY與F-NaY的XRD譜。由圖9可見，N-NaY與F-NaY的特征衍射峰一一對(duì)應(yīng)，說明合成的產(chǎn)品為典型的NaY型分子篩。與F-NaY相比，N-NaY的衍射峰強(qiáng)度明顯降低，而衍射峰的半峰寬卻明顯變寬，表明合成的N-NaY的晶粒尺寸要明顯小于F-NaY的。

圖9　N-NaY與F-NaY的XRD譜

2.2.2FT-IR表征結(jié)果

圖10為N-NaY與F-NaY的FT-IR譜。由圖10 可知，N-NaY與F-NaY的紅外吸收峰位置一致，出現(xiàn)了所有Y型分子篩的特征吸收峰。469 cm-1處吸收峰歸屬于結(jié)構(gòu)不敏感的內(nèi)部T—O四面體(T為Si or Al)彎曲振動(dòng)，565 cm-1處的吸收峰歸屬于雙環(huán)外部連接振動(dòng)， 679 cm-1和765 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別歸屬于內(nèi)部四面體對(duì)稱伸縮振動(dòng)和外部連接對(duì)稱伸縮振動(dòng)， 1000 cm-1和1143 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別歸屬于內(nèi)部四面體非對(duì)稱伸縮振動(dòng)和外部連接非對(duì)稱伸縮振動(dòng)?？傊?，N-NaY和F-NaY的典型紅外吸收峰的位置非常匹配。

圖10　N-NaY與F-NaY的FT-IR譜

2.2.3SEM表征結(jié)果

圖11為N-NaY與F-NaY的SEM照片。由圖11 可見，F(xiàn)-NaY晶粒表面光滑，為明顯的八面體形狀，顆粒存在著堆積現(xiàn)象，其粒徑主要分布在 500～1000 nm之間；N-NaY的晶粒尺寸明顯減小，在80 nm左右，為立方晶狀，直觀地表明了N-NaY晶粒粒徑處于納米范圍，但是顆粒聚集在一起，分布不很均勻。

2.2.4粒度分布

圖12為N-NaY的粒度分布。由圖12可知，N-NaY的中值粒徑為77 nm，平均粒徑為88 nm。中值粒徑與平均粒徑比較接近，表明合成的NaY分子篩粒度分布較窄、顆粒尺寸較小并且分散均勻，與SEM表征結(jié)果相一致。

圖11　N-NaY與F-NaY的SEM照片

圖12　N-NaY的粒度分布

2.2.5N2吸附-脫附等溫線

圖13為N-NaY與F-NaY的N2吸附-脫附等溫線。由圖13可見，2種分子篩在極低的相對(duì)壓力(<0.01)初始吸附階段均存在一明顯的陡峭吸附量，對(duì)應(yīng)于N2分子在微孔內(nèi)的填充[21]，說明分子篩樣品存在著大量的微孔結(jié)構(gòu)。在低的相對(duì)壓力下，F(xiàn)-NaY 的N2吸附能力高于N-NaY，這歸因于F-NaY 的結(jié)晶度高于N-NaY。另外，在F-NaY的N2吸附-脫附等溫線上看不到N2凝結(jié)現(xiàn)象，說明其只有微孔結(jié)構(gòu)。而從N-NaY的N2吸附-脫附等溫線上可以觀察到1個(gè)明顯的H4型滯回環(huán)(相對(duì)壓力從0.20～0.85)，表明其中存在著裂隙狀的晶間介孔[22]，這介孔的存在主要是由納米分子篩晶體在干燥過程中的晶粒堆積所形成的二次孔道引起的；一個(gè)大的滯回環(huán)(相對(duì)壓力0.9～1.0)出現(xiàn)，表明存在大孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能來源于分子篩中的納米粒子之間團(tuán)聚堆積所產(chǎn)生的二次孔。根據(jù)IUPAC的分類， F-NaY的N2吸附-脫附等溫線為Ⅰ 型曲線，而N-NaY的N2吸附-脫附曲線為Ⅰ型+Ⅳ型曲線。

圖13　N-NaY與F-NaY的N2吸附-脫附等溫線

表1為N-NaY和F-NaY的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表1 可知，N-NaY和F-NaY的比表面積接近，但其外比表面積高于F-NaY外比表面積，進(jìn)一步說明N-NaY具有較小的晶粒尺寸。N-NaY的介孔孔容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F-NaY的，與N2吸脫-附等溫線相吻合，而二者的微孔孔容相近。

表1　N-NaY與F-NaY的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

1) Obtained from N2adsorption isotherm in the relative pressure range of 0.01-0.05; 2),3),4) Obtained from thet-plot method; 5) Total pore volume-Micropore volume

2.2.629Si and27Al NMR表征結(jié)果

圖14為N-NaY的29Si and27Al NMR譜。通過對(duì)N-NaY的29Si MAS NMR進(jìn)行高斯法擬合[23]，發(fā)現(xiàn)在δ為-84.6、-89.3、-94.5、-100.0和-105.8處出現(xiàn)的響應(yīng)峰分別歸屬于Si(4Al)、Si(3Al)、Si(2Al)、Si(1Al)和Si(0Al)骨架硅，擬合數(shù)據(jù)列于表2，再通過式(2)可以精確地計(jì)算出分子篩骨架的硅/鋁比(nSi/nAl)。

(2)

式(2)中，x為與分子篩骨架Si配位的Al原子個(gè)數(shù)，分別為0，1，2，3，4；I為29Si MAS NMR中共振峰強(qiáng)度。由表2和式(2)得到N-NaY的骨架nSi/nAl為2.18，通過ICP分析測出的該樣品的nSi/nAl為2.32， 表明合成的納米NaY分子篩具有很高的結(jié)晶度。

圖14　N-NaY的29Si和27Al MAS NMR譜

δSi,AlatomicarrangementI-105.8Si(0Al)1.24-100.0Si(1Al)10.46-94.5Si(2Al)14.24-89.3Si(3Al)6.30-84.6Si(4Al)0.60

從27Al MAS NMR譜，可以通過氧的配位情況來鑒別分子篩結(jié)構(gòu)中的骨架鋁與非骨架鋁。由圖14(b)可知，只在化學(xué)位移60附近有單一響應(yīng)峰，說明其中的Al主要以四面體的形式存在于骨架中，歸屬為四配位的骨架鋁。而在化學(xué)位移 0附近沒有響應(yīng)峰，說明分子篩中不存在非骨架的六配位鋁。

3結(jié)論

在無導(dǎo)向劑、無模板劑、無添加劑的條件下，以水玻璃為硅源，通過優(yōu)化反應(yīng)體系各種條件，成功合成了粒徑在80 nm左右的高結(jié)晶度納米NaY分子篩。增大合成體系中初始凝膠的n(Na2O)/n(Al2O3)，可促進(jìn)分子篩的成核，顯著降低NaY分子篩的晶粒尺寸，同時(shí)降低結(jié)晶度，產(chǎn)物的n(SiO2)/n(Al2O3)變小，但堿度過大容易生成雜晶P型分子篩，最優(yōu)n(Na2O)/n(Al2O3)為16。隨著合成體系中初始凝膠的n(H2O)/n(A12O3)的增大，產(chǎn)物NaY分子篩的結(jié)晶度逐漸增加，晶粒尺寸逐步變大，產(chǎn)物的n(SiO2)/n(Al2O3)也逐漸增大；但水含量過小會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物中有P型分子篩的雜晶出現(xiàn)，過高可能導(dǎo)致堿度過低，得不到希望的產(chǎn)品，最優(yōu)n(H2O)/n(A12O3)為360。隨著陳化溫度的提高，產(chǎn)物的粒徑逐步減小，結(jié)晶度逐漸越低；但陳化溫度大于等于70℃會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物向P型分子篩轉(zhuǎn)變，最優(yōu)陳化溫度為65℃。延長陳化時(shí)間可以顯著減小NaY分子篩的粒徑，降低其結(jié)晶度；但陳化時(shí)間大于等于5 h，就開始生成雜晶P型分子篩，最優(yōu)陳化時(shí)間為4h。在最優(yōu)條件下合成的N-NaY分子篩的晶粒尺寸在80 nm左右，比表面積903 m2/g，骨架硅/鋁摩爾比2.18。

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Optimizing Synthesis of Nano-Zeolite NaY

CHANG Yanbin1， WANG Jian1， CUI Xingyu2， CHEN Shuwei1， LI Ruifeng1,2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.InstituteofSpecialChemicals,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract：Nano-sized NaY zeolite particles, lower than 100 nm, were synthesized with industrial grade sodium silicate as silica source and without template, directing agent, additives, and then characterized by XRD , FT-IR, SEM, Grainsize Analysis, N2 adsorption-desorption, ICP,29Si and27Al NMR. The influences of n(Na2O)/n(Al2O3), n(H2O)/n(Al2O3), the initial gel staying temperature and time in the synthesis system on the grain size of NaY zeolite were investigated, and compared to conventional industrial NaY zeolite. The results showed that with the increase of n(Na2O)/n(Al2O3) the grain size and crystallinity of NaY was reduced. If n(Na2O)/n(Al2O3)≥17, NaY zeolite would transform to P-type zeolite. With the reduction of n(H2O)/n(Al2O3) the formation of small NaY crystals could be promoted, but there would be P-type impurity crystals, if n(H2O)/n(Al2O3)≤240. With the increase of staying temperature, the average particle size of NaY zeolite was continually reduced. When the temperature increased to 70℃, NaY zeolite transformed into P-type zeolite. The particle size of NaY was gradually reduced with the extension of staying time, and when the staying time extended to 5 h, there would form P-type zeolite. The nano-sized NaY zeolite with framework nSi/nAlof 2.18 and the particle average diameter about 80 nm and a narrow particle size distribution was synthesized under the optimized synthesis conditions of n(Na2O)/n(Al2O3)=16，n(H2O)/n(Al2O3)=360, staying 4 h at 65℃.

Key words：nano-zeolite; NaY zeolite; directing agent; alkalinity; synthesis

收稿日期：2015-04-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國石化聯(lián)合基金(重點(diǎn)支持項(xiàng)目U1463209)、山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130313001-3)資助

文章編號(hào)：1001-8719(2016)03-0477-09

中圖分類號(hào)：TQ426.95

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.006

第一作者： 常彥斌，男，碩士，從事沸石分子篩的合成研究；E-mail:xccyb881120@163.com

通訊聯(lián)系人： 崔杏雨，女，副教授，從事沸石分子篩的合成及應(yīng)用研究；E-mail:cuixingyu@tyut.edu.cn；李瑞豐，男，教授，博士，從事孔材料催化和能源化工研究；Tel:0351-6018384;E-mail:rfli@tyut.edu.cn