Rationelt design af hierarkiske zeolitter for bedre diffusion og katalysatoreffektivitet

Takket være forskellige krystallinske topologier, indstillelig kemisk sammensætning, høj (hydro)termisk stabilitet, og kontrollerbar overfladesurhed/basicitet, zeolitter er meget udbredt i petroleumraffinering, petrokemisk fremstilling, fin kemisk syntese, biomedicin, miljøkemi, osv. Dog for mange zeolit-katalyserede reaktioner, molekyldiametrene for de involverede reaktionsarter er ofte større end zeolittenes poreblændinger. Dette fører til uønsket diffusionsmodstand mellem bulkfasen og katalysatorens aktive centre, hvorved katalysatoreffektiviteten væsentligt reduceres.

Lindring af diffusionsresistens og forbedring af katalysatoreffektiviteten af ​​den zeolitbaserede katalysator er altid et af de mest bekymrede spørgsmål i den akademiske verden og i industrien. Inden for de seneste årtier, værktøjer til at integrere hierarkiske mikro-/mesoporøse strukturer i zeolitter for bedre diffusion og katalysatoreffektivitet er blevet stærkt beriget.

Imidlertid, i de virkelige industrielle katalyseprocesser, selvom zeolitisk komponent indeholder hierarkisk porøs struktur, det er blot en af ​​komponenterne i multikomponent industrikatalysatoren. Den zeolitbaserede industrielle katalysator er i det væsentlige hierarkisk struktur sammensat af mikroporøse zeolitiske og makroporøse ikke-zeolitiske komponenter. Når den hierarkisk porøse struktur integreres, Katalysatoren har også en mikro-/meso-/makroporøs trimodal hierarkisk struktur. Naturligvis, den hierarkiske porestruktur af industrielle zeolitbaserede katalysatorer findes på to niveauer:'inde i den zeolitiske komponent' og 'mellem komponenterne i den industrielle katalysator.'

I en ny gennemgang papir offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved China University of Petroleum i Qingdao, Kina (Peng Peng, Zi-Feng Yan), China National Petroleum Company i Beijing, Kina (Xiong-Hou Gao), og det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) i Caen, Frankrig (Svetlana Mintova) analyserede state-of-the-art inden for rationelt design af hierarkiske mikro-/mesoporøse strukturer ud fra katalytisk reaktionsteknisk synspunkt.

Fra perspektivet af katalytisk reaktionsteknik, de kvantitative indikatorer til evaluering af katalysatoreffektivitet er katalysatoreffektivitetsfaktor (η) og Thiele-modul (φ). Hvis katalysatorsystemet gennemgår stærk diffusionsbestandighed (η <0,25), så er η den reciproke af φ, så øget η betyder reduceret φ. Baseret på definitionen af ​​φ, forbedring af η kan opnås ved enten at øge den effektive diffusionskoefficient (Deff) eller forkorte diffusionsvejen (L). Baseret på dette, den mesoporøse struktur i hierarkisk zeolit ​​kan opdeles i tre typer:(1) 'funktionelle mesoporer' (øge effektiv diffusionskoefficient, Deff); (2) 'auxiliary mesopores' (forkort diffusionsvejen, L); og (3) 'integrerede mesoporer' (forøg samtidig Deff og forkort L). For hierarkiske zeolitmaterialer, fremragende poresammenkobling kan sikre hurtig diffusion og desorption af produkter dannet på de aktive steder i mikroporerne, derved undgås deaktivering. For et kaskadereaktionsnetværk som fluid katalytisk krakning (FCC), veldesignet hierarkisk porøs struktur kan sikre sammenkoblingen mellem mikro- og mesoporer, hvilket er meget vigtigt for reaktionsrelæet i FCC-processen.

Zeolit ​​med en hierarkisk porøs struktur er blot en af ​​komponenterne i ægte industrielle katalysatorer. For at opfylde kravene til mekanisk styrke, hydrotermisk stabilitet, modstand mod forgiftning og koks i de industrielle katalytiske processer, industrielle katalysatorer skal tilføje andre ikke-zeolitiske komponenter. Selvom interaktionsmekanismen mellem de industrielle katalysatorkomponenter ikke er fuldt ud forstået, den ikke-ideelle matchning af de porøse strukturer mellem de zeolitiske og de ikke-zeolitiske komponenter kan forårsage reducerende ydeevne for de hierarkiske zeolitkomponenter. Koordineringen af ​​porernes indbyrdes forbindelse mellem hierarkiske zeolitter og andre ikke-zeolitiske komponenter i industrielle katalysatorer er et presserende spørgsmål, der skal behandles inden industrielle anvendelser af hierarkiske zeolitter.

Det ultimative mål for fremstilling af hierarkisk porøst materiale er fuldt ud at frigive dets potentiale i industriel skala ved at kontrollere den hierarkiske porestruktur, forskellige komponenters placering og sammenkobling, der spiller en afgørende rolle for forbedring af deres katalytiske effektivitet. Udvikling af kombineret in-situ eller operando spektroskopisk, mikroskopiske eller diffraktionsteknikker er nøglen til at optrevle struktur-aktivitetsforholdet mellem hierarkiske zeolitter som en komponent i industrielle katalysatorer.