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分子筛催化剂
作者：丁之皓
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2024年第02期
摘 要：国家发展战略和资源环境压力对化学工业提出新的要求，催化技术的优势越来越受到关注。新型催化剂的开发和利用将引导化学工业向高效、清洁、环保、可持续方向转型，其中分子筛催化剂由于结构上的特点决定了其在催化过程中的优异性能，现已被广泛地应用于多种类型的反应，展现出高选择性、低能耗等特点。通过说明催化作用的特点及重要性，简要分析分子筛的结构和性能特点，结合分子筛的合成技术及调变的意义，对分子筛催化剂的应用及发展前景进行展望。
关键词：分子筛;特点;合成;调变;应用;前景展望 1 分子筛催化剂简介
分子筛，顾名思义可以依据尺寸对分子起到筛分，主要分为人工合成的水合硅铝酸盐（泡沸石）和天然沸石，作为催化剂或催化剂载体，内部均匀分布有孔道和孔穴，是一类多孔材料。其化学组成可表示为：
式中，M为金属阳离子;n为金属阳离子的价数;x为AlO2的分子数;y为SiO2的分子数;Z为水的分子数。
2 分子筛催化剂的特点
催化剂用于化学反应时，首先要求其必须有反应所需要的活性位点;其次催化剂需要对反应有一定的选择性，引导反应方向;面对复杂的反应环境，催化剂必须有较强的机械稳定性和热稳定性。以下列举出分子筛作为催化剂的部分特点：
①分子篩内部分布有密集的孔道和孔穴，为分子进出提供了通道和进行催化反应的活性位点，并具有较大的比表面积和较强的吸附能力;
②分子筛孔径均匀固定，其吸附能力具有较强的选择性。按照国际纯粹化学和应用化学联合会对多孔材料的定义，可根据孔直径将分子筛分为微孔分子筛（50nm），现已合成多级孔复合分子筛;
③分子筛内部孔径与分子直径的相对大小决定了该分子能否到达分子筛内部的相应位点进行催化反应，即只有当分子直径小于分子筛孔径时，分子才可以进入分子筛内部到达催化反应活性位点发生反应，并且只有当产物分子直径小于分子筛孔径时，产物分子才可以扩散出来。这种由于孔径和分子尺寸的相对大小所导致的选择性称为择形选择性;
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④支撑骨架主要由原料中的硅源和铝源组成，因此分子筛具有一定的热稳定性和机械稳定性。此外通过调节孔径的尺寸，可以降低积碳程度，使催化剂的寿命延长，再生后重复使用; ⑤分子筛具有灵活的调变性。在分子筛的合成过程中，通过改变原料、合成方法和条件等多种方法，可以使合成出的分子筛在孔道结构或整体结构上呈现差异，使催化性能有所不同。 3 分子筛催化剂的合成及调变
分子筛合成所需要的原料包括水、碱、铝源、硅源、模板剂等，在合成SAPO、SSZ等多种系列分子筛时，应用最为广泛且具有代表性的为水热合成法。
水热合成法以水作为溶剂，将原料依据配比称取并充分混合，经一定时间的老化后置于高温高压环境中晶化。该方法的关键在于利用高温条件下水在反应釜内部蒸发所产生的自生压力，在反应釜内形成高压环境，使经过老化的凝胶在此环境中晶化合成分子筛。水热合成法在合成过程中方便实用，并且可以通过改变原料中各组分的比例、金属离子的种类、硅源的种类、铝源的种类及反应方法和条件，使分子筛的孔道尺寸、结构甚至整体构架产生差别，合成出具有不同性能的多种分子筛催化剂。
随着科技的发展和需求的变化，新兴技术和材料也被应用于改进分子筛的合成方法，形成了包括有机物作为溶剂的溶剂热合成法、利用气相转移或蒸汽辅助晶化的干凝胶合成法、利用超声波预处理凝胶的超声辅助合成法、微波辅助合成法、氟离子辅助合成法以及其他多种方法在内的合成方法。
分子筛性能的改变也可以通过调变完成。如通过改变金属离子的种类可使分子筛的酸性发生改变，产生具有不同催化性能的活性位点，或对积碳产生影响，改变分子筛的寿命;再者通过改变各原料的配比，或改变模板剂的种类，使分子筛的结构尺寸发生变化;还可以通过借助碳纳米管等合成具有多级孔结构的分子筛。
合成原料、合成方法和合成条件的多样性会使分子筛在结构和催化性能上产生差异，体现了分子筛种类的多样性和灵活的调变性。为了合成具有不同催化性能的分子筛催化剂，需要不断开发利用新型催化材料、改进合成条件和方法，合成出符合生产需求并且经济、绿色、节能、可持续利用的分子筛，实现化学反应过程中原料充分利用、反应高效节能、过程清洁经济。
4 分子筛催化剂的应用
分子筛催化剂有较好的应用前景和极大的发展空间，具有代表性的分子筛催化剂如SAPO-11、SAPO-34、SSZ-13、ZSM-5、ZSM-11、MCM-22 等，被广泛应用于石油化工、精细有机合成以及其他各方面。例如石油化工中的催化裂化（FCC）、甲醇制烯烃（MTO）、加氢裂化、催化脱蜡、苯乙烯技术、高选择性催化生产异丙苯等;精细有机合成中的烷基化反应、异
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构化和重排反应、缩合反应、择形催化、芳构化等。分子筛催化剂在应用过程中展现出了高效性、高选择性和高稳定性的特点。 5 结语
我国现代化学工业起步较晚，并且近年来又面临资源紧张、环境恶化和寻求发展的多重压力，这要求我国化学工业必须适应当前形势与政策快速转型，这个过程离不开催化。要推动化学工业的新发展，必须将催化与其他学科紧密集合，利用新型材料和科技改进催化剂，从而合成出所需性能的催化剂，研发新型、高效、无毒、无害的催化剂。
分子筛催化剂
