多孔锆基氧化物材料的制备及性能研究.doc

多孔锆基氧化物材料的制备及性能研究根据国际纯粹和应用化学联合会对孔材料的定义,多孔材料可按其孔径的大小划分成微孔材料（孔径<2nm）、中孔或介孔材料（2nm<孔径<50nm）以及大孔材料（孔径>50nm）三类。美国学者Dubinin又提出了一种孔径介于1-2nm之间的超微孔材料。这种材料的孔径尺寸弥补了在该区间对分子择形有特殊需求的反应,在微孔和介孔材料之间架起了承上启下的桥梁,具有广阔的应用前景。金属氧化物氧化锆作为一种多功能兼具酸性和碱性的催化剂载体,常通过硫酸化、磷酸化或钨酸化成为一种强的固体酸。硫化氧化锆虽然酸性较强,但比表面较小。通常借助具有高比表面的硅基有序中孔材料负载氧化锆应用于催化裂解、烷烃异构化等反应,但是中孔材料的表面性能不利于四方相氧化锆的生成,而四方相氧化锆（t-ZrO₂）是SO42-/ZrO₂的基础。因此,通过新的技术路线或已有制备工艺的改进,合成具有高热稳定性和高比表面的中孔-微孔多晶体结构的四方相氧化锆基材料,具有极大的挑战性和十分重要的意义。国内外学者对于孔材料的合成已提出了诸多成功的制备方案,并且有些技术可以达到根据实际应用需求而定向、精准合成所需类型的多孔材料。其中应用最多的是软模板法制备孔材料,该方法又称模板剂或结构导向剂方法,其特点是充分利用模板剂在合成过程中所特有的模板剂效应,去制备、调控材料的孔结构。通常认为,模板剂在所合成的液相体系中所形成的胶束的尺寸大小决定所合成材料孔径的尺寸范围,模板剂的种类和制备条件影响着分子筛的水热稳定性和多级孔材料孔径的大小及其分布。因此,筛选性能优越、环境友好、价廉易得的模板剂,并进一步优化合成工艺和创新合成路线已成为广大科研人员积极探索的热点和难点。本课题采用溶剂挥发诱导自组装的方法,以双链季铵盐阳离子表面活性剂作为软模板（结构导向剂）,通过改变表面活性剂中碳链的长度（双八烷基二甲基氯化铵、双十二烷基二甲基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵）制备得到了孔结构可控的氧化锆材料,且合成过程中无需额外添加酸碱等助剂,而是通过前驱体的自身水解产生的酸碱性达到自我调节从而获得相应结构的多孔材料。以溴化十六烷基吡啶为模板剂,氧氯化锆或丙醇锆为锆源前驱体,通过溶剂挥发诱导自组装法和固液技术相结合的新策略制备出具有高比表面积的中微孔级纳米晶体氧化锆材料。孔结构表征结果显示,400℃焙烧脱模板后,其具有高的比表面积414m2/g;即使在700℃热处理后,仍然具有较高的比表面积223m2/g。而通过单一溶剂挥发法合成的氧化锆材料经相应温度热处理后,孔结构基本坍塌,比表面积小于50m2/g。在成功制备出微孔氧化锆的基础上,且不额外添加任何酸、碱等助剂的情况下将金属铝盐引入,得到了具有超微孔结构、高热稳定性以及高水热稳定性的氧化铝-氧化锆复合材料。合成得到的Al₂O₃-ZrO₂复合材料具有蠕虫状孔道结构,Al的含量能够在较大范围内进行调节,且该材料具有较高的比表面积和均一的孔径分布。Al元素的引入使得该微孔材料具有稳定的四方相结构,致使含有微孔结构的此复合材料的热稳定性远大于相应氧化锆材料。当Al/Zr摩尔比为1.0时,该复合材料在800℃热处理后仍具有微孔结构,且比表面积高达216m2/g,显示出高的热稳定性。以制备的Al₂O₃-ZrO₂复合材料为载体,采用浸渍法制备含钴催化剂并将其应用于二氧化碳气氛下氧化乙苯脱氢反应。研究发现催化剂用量为300mg,CO₂气体流量为20mL/min,乙苯流量为0.3mL/h,550℃下连续反应10h时,随着Al/Zr摩尔比的不断增加,其乙苯转化率不断增加;当Al/Zr摩尔比为0.7时,转化率达到最高值58.71%,其催化活性达到最大,且苯乙烯选择性不低于96%;继续增加Al/Zr摩尔比到1.0,乙苯转化率为57.73%,苯乙烯选择性不低于96%,催化活性基本维持不变。作为对比,在相同的反应条件下,对采用相同制备方案得到的Co/Al₂O₃和Co/ZrO₂催化剂进行同样的催化性能测试,结果显示活性钴原子负载于Al₂O₃-ZrO₂复合材料所表现出的催化活性远高于单一氧化锆或氧化铝孔材料为载体的相应催化剂。并且在N2气氛下,其Al₂O₃-ZrO₂复合材料仍然显示了较好的催化活性,是目前锆基催化剂相关研究中鲜有报道的。鉴于此,运用此制备方