小晶体镁碱沸石及其制备方法

摘要

公开了一种从凝胶制备的高度结晶、小晶体、镁碱沸石，该凝胶含有氧化硅、氧化铝、碱金属的源以及两种模板剂的组合。所得材料包括具有约为或小于200nm的颗粒尺寸的镁碱沸石晶体。可以通过使用凝胶的特定组成获得所需晶体尺寸。使用X射线粉末衍射和扫描电镜测定材料的纯度和晶体尺寸。该材料具有优异的表面积和由氮吸附测定的微孔体积。

说明书

本申请要求2012年11月8日提交的美国临时申请No.:61/724136 的国内优先权的权益,在此通过引用以其全文并入本文。

技术领域

公开了制备具有小晶体尺寸例如200纳米以下的镁碱沸石沸石的 方法。还公开了具有通过所公开的方法制备的具有镁碱沸石(“FER”) 框架类型的结晶微孔材料，以及由所公开的方法制备的催化剂。

背景技术

文献中描述了很多镁碱沸石合成的情形。已经从没有有机结构导 向剂(“OSDA”)或模板的凝胶合成镁碱沸石，如美国专利号 3933974；3966883；4088739和4650654中所示。通常,在没有OSDA时 的镁碱沸石合成不提供晶体的尺寸和形态的良好控制。

也将各种OSDA,特别是含氮的有机化合物,用于高纯镁碱沸石的合 成。一些实施例包括美国专利号4000248；4016245；4251499；4377502； 和4795623。有机模板的使用允许减少结晶温度和时间,如所美国专利 号4000248所述。美国专利号5491273描述了使用吡咯烷作为结构导 向剂合成约0.5微米或更大的镁碱沸石晶体。

美国专利号6136289描述了从含有硼酸的不含有机的凝胶合成镁 碱沸石。形成了0.5微米尺寸和更大的镁碱沸石晶体。

Pinar等人(Collection of Czechoslovak Chemical  Communications,vol.72(2007)pp.666-78)显示出四甲铵(“TMA”) 阳离子对于镁碱沸石从凝胶结晶的强烈影响，所述凝胶包含1-苄基 -1-吡咯烷阳离子作为主要OSDA。获得了平均尺寸约10微米的镁 碱沸石晶体。然而,石英存在于合成的镁碱沸石样品中。

Roman-Leshkov等人(Journal of Physical Chemistry C,vol. 115(2011)pp.1096-102)记载了从具有不同环尺寸的环胺和TMA 的混合物合成镁碱沸石。形成具有超过1微米尺寸的薄板状晶体。

Nishiyama等人(Microporous Materials,vol.12(1997)pp. 293-303)显示出在多孔氧化铝载体的空隙中形成了平均直径为30nm 的镁碱沸石针状晶体。他们工作的重要方面是,晶体生长和尺寸在物理 方面受到载体的孔尺寸而不是在合成过程中的结晶条件或反应凝胶组 成的限制。这进一步得到如下事实的支持：在多孔氧化铝载体的外表 面上形成的镁碱沸石晶体具有微米级别的尺寸。

Khomaine等人(Journal of Colloid and Interface Science,vol. 236(2001)pp.208-13)显示出通过使用不同数量的非离子表面活性 剂以及吡咯烷模板,可以将镁碱沸石晶体的尺寸控制在1和3微米之 间的范围内。

Chauhan等人(Indian Journal of Chemical Technology,vol.18 (2011)pp.335-42)研究了几种阳离子,阴离子和非离子乳化剂对于 镁碱沸石结晶的影响。

鉴于所述内容,存在生产高度结晶、小晶体镁碱沸石沸石的方法 的需要。已经发现,包括氧化硅和氧化铝的源与水和碱(alkali)的源 的混合物,以及两种有机结构导向剂的组合的合成工艺,解决了上述的 需要。

发明概述

公开了约为或小于200纳米的单个晶体尺寸的镁碱沸石(“FER”) 沸石。在一个实施方案中,通过制备氧化硅和氧化铝的源与水和碱的源 的混合物,以及两种有机结构导向剂(“OSDA”)的组合合成了镁碱 沸石沸石。例如,公开了一种使用第一OSDA例如包含氢氧化物或盐形 式的四甲铵(“TMA”)阳离子和第二OSDA的方法,所述第二OSDA是 能促进镁碱沸石结晶的有机化合物,如吡咯烷、1,3-二氨基丙烷、哌啶、 吡啶、1-甲基吡咯烷、乙二胺、或1,4-二氨基丁烷。

公开了一种制备结晶微孔材料的方法，该材料具有镁碱沸石(FER) 框架类型,大于约10的摩尔硅铝比(“SAR”，molar silica to  alumina ratio),和200纳米以下的平均晶体尺寸。在一个实施方案中, 该方法包括:

形成合成混合物，该合成混合物包括氧化硅源、氧化铝源、碱金 属源,和有机结构导向剂，所述有机结构导向剂包括：第一有机结构导 向剂(OSDA-1)和第二有机结构导向剂(OSDA-2)，所述第二有机结构导 向剂(OSDA-2)促进镁碱沸石结构形成，其中OSDA-1与OSDA-2的摩尔 比范围为约0.2到约1.0；和

加热该合成混合物到100－250℃,优选120－200℃的温度,持续 足以结晶该材料的一段时间。

在一个实施方案中,将所得的凝胶加热直到获得结晶产物。凝胶组 分之间的不同比例,以及不同结晶条件导致不同晶体的形成,各有特定 的尺寸、形态和晶体尺寸分布。

还公开了包含结晶微孔材料的催化剂，该结晶微孔材料具有FER 框架类型,大于10的摩尔硅铝比(SAR),和约200纳米以下的平均晶体 尺寸,其中催化剂对于选自烃转化、氮氧化物的选择性催化还原和氧化 亚氮的催化分解中的至少一个过程是催化活性的。

在一个实施方案中,文中所述的催化剂进一步包含至少一种用于 烃转换的氢化功能金属,例如选自Pt、Pd、Rh、Ru、Ni、Re或其混合 物的至少一种氢化功能金属。

文中所述催化剂还可包含至少一种过渡金属,例如铜或铁，用于氮 氧化物的选择性催化还原和/或氧化亚氮的催化分解。

除了上面讨论的主题,本公开还包括许多其他的示例性特征,例如 以下所解释那些。要明白,上面的描述和下面的描述都仅是示例性的。

附图简要说明

并入了附图,且其构成本说明书的一部分。

图1是实施例1中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图2是实施例1中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图3是实施例2中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图4是实施例2中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图5是实施例3中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图6是实施例3中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图7是实施例4中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图8是实施例4中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图9是对比例5中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图10是对比例5中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图11是对比例6中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图12是对比例6中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图13是对比例7中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图14是对比例7中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图15是对比例8中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图16是对比例8中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图17是对比例9中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图18是对比例9中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图19是对比例10中描述的镁碱沸石材料的XRD。

图20是对比例10中描述的镁碱沸石材料的SEM。

图21是对比例11中描述的镁碱沸石材料的XRD图案。

图22是对比例11中描述的镁碱沸石材料的SEM。

本发明的详细描述

定义

在本公开中使用的以下术语或短语中具有如下列出的含义:

“由国际沸石协会的结构委员会定义”,旨在意指包括在但不限于 Baerlocher等人的“Atlas of Zeolite Framework Types”第六次修 订版中(Elsevier 2007)描述的结构的那些结构,在此通过引用以其 全文并入本文。

“具有FER框架类型”旨在意指由国际沸石协会的结构委员会定 义的属于镁碱沸石家族的沸石矿物。

“用于烃转换的氢化功能金属”旨在意指可催化在烃转换过程中 的氢化反应的金属。

“选择性催化还原”或“SCR”是指在氧存在下NO_x的还原(通常用 氨,产生氨的化合物例如尿素、或烃)以形成氮和H₂O。催化该还原以优 先促进在氨被氧氧化过程中NO_x的还原,因此是“选择性催化还原”。

文中使用的短语“选自”或“选自于”意指单个组分或两个(或更 多)组分的组合的选择。例如,“过渡金属可以选自铜和铁”意味着金 属可包含铜、或铁，或者铜和铁的组合。

根据本公开制备小晶体镁碱沸石在很大程度上但不完全依赖于前 体凝胶的组成。在一个实施方案中,两种有机结构导向剂或模板的存 在是用于控制镁碱沸石晶体尺寸的重要条件。氧化硅源的实施例包括 但不限于硅酸钠、胶态氧化硅和沉淀氧化硅。氧化铝源的实施例包括 但不限于铝异丙醇盐、铝酸钠、以及氧化铝和氢氧化钠的组合。以氢 氧化物或盐,例如氯化物、溴化物或碘化物形式使用四甲铵(“TMA”) 阳离子。

在一个实施方案中,第二模板可以是吡咯烷、1,3-二氨基丙烷,哌 啶,吡啶,1-甲基吡咯烷、乙二胺、1,4-二氨基丁烷或任何促进镁碱沸 石沸石结晶的有机结构导向剂(“OSDA”)。任选向混合物添加镁碱沸 石籽晶从而进一步协助结晶的速度。

在一个实施方案中,将氧化硅和氧化铝、水、氢氧化钠、模板和任 选籽晶的源组合在一起,并充分混合所得的凝胶。

将凝胶的整体组成描述为:

(10-60)SiO₂:Al₂O₃:(0.5-5.6)Na₂O:(0.5-25)TMA:(1-25)SDA:(80- 1000)H₂O

其中TMA表示四甲铵,且SDA表示第二模板分子,例如吡咯烷、1,3- 二氨基丙烷、哌啶、吡啶、1-甲基吡咯烷、乙二胺、1，4-二氨基丁烷 或任何适于镁碱沸石沸石合成的OSDA。

镁碱沸石晶体的形态可取决于两种模板之间的比例而改变。TMA 和第二模板之间的摩尔比的范围可以为约0.20到约1,例如约0.25到 约0.80,或甚至约0.30到约0.70。第二模板相对于氧化硅的摩尔比可 以选自合理广泛的范围,如从约0.02到约0.80,或甚至从约0.10到约 0.40。氢氧化物(“OH”)与SiO₂的比例也是控制晶体的尺寸和形状的 重要因素。在一个实施方案中,OH与SiO₂的比例范围可以为约0.15到 约0.30。较低的OH/SiO₂比例可导致不希望的晶粒尺寸,而较高的比例 可导致杂质例如ZSM-5、石英、或鳞石英的形成。

可以通过使用氢氧化钠或其与氢氧化四甲铵的组合来控制 OH/SiO₂的比例。当仅氢氧化钠用于控制OH/SiO₂比例时,Na₂O/SiO₂比 例通常为约0.05到约0.14,例如约0.07到约0.13。如果将氢氧化钠 和氢氧化四甲铵结合使用，这个比例可以稍微降低。

在100到250℃,优选120到200℃的温度下，在自发条件下加热 凝胶。通常，在48小时加热内，镁碱沸石相结晶。

可以向凝胶添加镁碱沸石籽晶以减少结晶时间。在一个实施方案 中,镁碱沸石沸石,例如CP 914 C(Zeolyst International)可用于引 晶。

在一个实施方案中,所得的镁碱沸石产物是纯镁碱沸石，且不包含 任何其他沸石或凝结的氧化硅杂质。镁碱沸石具有至少约350m²/g, 或者至少约380m²/g的表面面积。镁碱沸石晶体具有不规则的形状。 沿着所有晶体维度的平均晶体尺寸约为或小于200nm，如由扫描电子 显微镜(“SEM”)所测定的。

所得的镁碱沸石可以转换为NH₄-形式,H形式,或载有浸渍或离子 交换的金属,用于烃的催化转化、氮氧化物的选择性催化还原或氧化亚 氮的催化分解。

在一个实施方案中,镁碱沸石可在废气的SCR方法中用作本发明 的催化剂,例如通过使气体混合物接触文中所述的镁碱沸石组合物。

进一步通过下面的非限制性实施例说明本发明的实施方案,其旨 在仅为发明的示例。

实施例

实施例1

该实施例说明了根据本发明的一个实施方案的小晶体镁碱沸石的 合成。凝胶的摩尔组成如下:

23.4SiO₂:1.0Al₂O₃:2.71Na₂O:1.8TMA:3.51,3-DAP:304H₂O

将485克的水与28.9克的氢氧化钠(50％w/w)溶液、74.1克的 铝酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将 65.6克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w,Sachem)和44.8克的1，3-二 氨基丙烷(“1,3-DAP”)(Sigma Aldrich)混合入水溶液。最后,添加 600克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol)和2.7克的CP 914 C籽晶 (Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。

在180℃加热该凝胶36小时。过滤所得的结晶产物,用去离子水 洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧6 小时以从孔隙去除有机分子。煅烧的样品具有395m²/g的表面积和 0.14cc/g的微孔体积,如由氮吸附所测定的。发现样品为纯相镁碱沸 石。样品的X射线衍射图案如图1所示。样品的晶体尺寸为约100纳 米以下,如图4的SEM图像所示。

实施例2

该实施例描述了从具有低于实施例1的H₂O/SiO₂比例的凝胶合成 小晶体镁碱沸石材料。该凝胶的摩尔组成如下:

23SiO₂:1.0Al₂O₃:2.07Na₂O:0.96TMA:2.881,3-DAP:230H₂O

将320克的水与12.0克的氢氧化钠(50％w/w)水溶液、94.5克的 铝酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将 41.9克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w,Sachem)和42.9克的1，3-二 氨基丙烷(“1,3-DAP”)(Sigma Aldrich)混合入水溶液。最后,添加 700克的硅溶胶(39.4重量％SiO₂，Nyacol)和3.1克的CP 914 C籽晶 (Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。

在180℃加热该凝胶36小时。过滤所得的结晶产物,用去离子水 洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧6 小时以从孔隙去除有机分子。煅烧的样品具有406m²/g的表面积和 0.14cc/g的微孔体积,如由氮吸附所测定的。发现样品为纯相镁碱沸 石。样品的X射线衍射图案如图3所示。样品的晶体尺寸约为或小于 100纳米,如图2的SEM图像所示。

实施例3

该实施例描述了具有高于实施例1的SAR的小晶体镁碱沸石材料 的合成。该凝胶的摩尔组成如下:

35SiO₂:1.0Al₂O₃:3.50Na₂O:1.75TMA:5.251,3-DAP:350H₂O

将391克的水与42.3克的氢氧化钠(50％w/w溶液)、64.3克的铝 酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将 58.3克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w,Sachem)和59.8克的1，3-二 氨基丙烷(“1,3-DAP”)(SigmaAldrich)混合入水溶液。最后,添加800 克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol 1440)和3.4克的CP 914C籽晶 (Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。

在160℃加热该凝胶48小时。过滤所得的结晶产物,用去离子水 洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧6 小时以从孔隙去除有机分子。煅烧的样品具有382m²/g的表面积和 0.14cc/g的微孔体积,如由氮吸附所测定的。发现样品为纯相镁碱沸 石。样品的X射线衍射图案如图5所示。样品的晶体尺寸约为或小于 100纳米,如图6的SEM图像所示。

实施例4

该实施例描述了具有高于实施例1的SAR和不同于实施例1的氧 化硅源的小晶体镁碱沸石材料的合成。该凝胶的摩尔组成如下:

35SiO₂:1.0Al₂O₃:3.50Na₂O:1.75TMA:5.251,3-DAP:350H₂O

将724克的水与45.3克的氢氧化钠(50％w/w溶液)、56.7克的铝 酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将 50.6克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w,Sachem)和51.9克的1，3-二 氨基丙烷(1,3-DAP)(SigmaAldrich)混合入水溶液。最后,添加300克 的沉淀氧化硅(HiSil 233，PPG Industries)和3.0克的CP 914C籽 晶(Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。

在160℃加热该凝胶48小时。过滤所得的结晶产物,用去离子水 洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧6 小时以从孔隙去除有机分子。煅烧的样品具有405m²/g的表面积和 0.14cc/g的微孔体积,如由氮吸附所测定的。发现样品为纯相镁碱沸 石。样品的X射线衍射图案如图7所示。样品的晶体尺寸约为或小于 100纳米,如图8的SEM图像所示。

对比例5

该实施例描述了在不存在四甲铵阳离子时镁碱沸石沸石合成的对 比方法。该凝胶的摩尔组成如下:

23.4SiO₂:1.0Al₂O₃:1.65Na₂O:2.341,3-DAP:304H₂O

将535克的水与74.1克的铝酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重 量％Na₂O)和29.9克的1,3－二氨基丙烷组合在一起以形成水溶液。最 后,添加600克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol)和2.7克的CP 914C 籽晶(Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。 在180℃加热该凝胶36小时。发现样品为纯相镁碱沸石。样品的X射 线衍射图案如图9所示。形成了具有约300nm到约1000nm的颗粒尺寸 的板状镁碱沸石晶体,如图10的SEM图像所示。

对比例6

该实施例描述了对比的镁碱沸石沸石的合成。该凝胶的摩尔组成 如下:

23.4SiO₂:1.0Al₂O₃:1.65Na₂O:1.8TMA：3.51,3-DAP:304H₂O

将503克的水与74.1克的铝酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重 量％Na₂O)组合以形成水溶液。将65.6克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w, Sachem)和44.8克的1，3-二氨基丙烷(“1,3-DAP”)(Sigma Aldrich) 混合入水溶液。最后,添加600克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol)和 2.7克的CP 914C籽晶(Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶 直到它变为均匀。

在180℃加热该凝胶36小时。过滤所得的结晶产物,用去离子水 洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧6 小时以从孔隙去除有机分子。煅烧的样品具有392m²/g的表面积和 0.14cc/g的微孔体积,如由氮吸附所测定的。发现样品为纯相镁碱沸 石。样品的X射线衍射图案如图11所示。样品的晶体尺寸约为300 纳米至约1000纳米,如图12的SEM图像所示。

对比例7

该实施例描述了镁碱沸石沸石合成的对比方法。该凝胶的摩尔组 成如下:

25SiO₂:1.0Al₂O₃:3.35Na₂O:3.75吡咯烷:325H₂O

将544克的水与69.4克的铝酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重 量％Na₂O)和42.6克的吡咯烷组合在一起。最后,添加600克的硅溶胶 (40重量％SiO₂，Nyacol)和2.6克的CP914C籽晶(Zeolyst  International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。在170℃加热该 凝胶36小时。发现样品为纯相镁碱沸石。样品的X射线衍射图案如图 13所示。形成了颗粒尺寸约为300纳米至约1500纳米的镁碱沸石晶 体,如图14的SEM图像所示。

对比例8

该实施例描述了在不存在四甲铵阳离子时且具有高于实施例5的 Na₂O/SiO₂比例的镁碱沸石沸石的合成。该凝胶的摩尔组成如下:

23.4SiO₂:1.0Al₂O₃:2.71Na₂O:3.511,3－二氨基丙烷:304H₂O

将604克的水与33.7克氢氧化钠(50％w/w溶液)、86.4克铝酸 钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将52.3 克1,3－二氨基丙烷(“1，3－DAP”)(SigmaAldrich)混入水溶液。 最后,添加700克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol)和3.0克的CP 914C 籽晶(Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。 在180℃加热该凝胶36小时。发现所得样品为纯相镁碱沸石。样品的 X射线衍射图案如图15所示。形成了具有尺寸为约300nm到约500nm 的板状晶体的镁碱沸石,如图16的SEM图像所示。

对比例9

该实施例说明了从具有类似于用于小晶体镁碱沸石合成的组成的 凝胶合成镁碱沸石材料，当在无搅拌使凝胶结晶时:

23SiO₂:1.0Al₂O₃:2.1Na₂O:0.97TMA:2.891,3-DAP:230H₂O

将342克的水与13.6克的氢氧化钠(50％w/w溶液)、87.9克的铝 酸钠溶液(23.5重量％Al₂O₃,19.6重量％Na₂O)组合以形成水溶液。将 42.9克的四甲基氯化铵溶液(50％w/w,Sachem)和43.6克的1，3-二 氨基丙烷(“1,3-DAP”)(Sigma Aldrich)混合入水溶液。最后,添加 700克的硅溶胶(40重量％SiO₂，Nyacol)和3.1克的CP 914C籽晶 (Zeolyst International),和搅拌所得的凝胶直到它变为均匀。

在180℃加热该凝胶36小时。在加热过程中以150rpm用锚叶搅 拌该凝胶。然后，以结晶模式进行结晶。过滤所得的结晶产物,用去离 子水洗涤和在105℃在空气中干燥。将所得的沸石粉末在550℃下煅烧 6小时以从孔隙去除有机分子。发现样品为纯相镁碱沸石。样品的X 射线衍射图案如图17所示。样品具有约1微米至约2微米的晶体尺寸, 如图18的SEM图像所示。

对比例10

该实施例描述了CP 914C商业小晶体沸石,它是纯相镁碱沸石 (Zeolyst International)。样品的X衍射图案如图19所示。该样品 由具有约200纳米到约300纳米颗粒尺寸的不规则形状的晶体组成, 如图20的SEM图像所示。

对比例11

该实施例描述了CP 914商业小晶体沸石,它是纯相镁碱沸石 (Zeolyst International)。样品的X衍射图案如图21所示。该样品 由具有约0.5微米到约2微米颗粒尺寸的板状晶体组成,如图22的SEM 图像所示。

用于说明书和权利要求中的所有表示成分,反应条件等的量的数 字可以理解为在所有情形中均受术语“约”的限定,除非另有说明。因 此,在以下说明书和所附权利要求中的数值参数是近似值，其取决于 通过本发明试图获取的所需性质而可能改变,除非另有说明。

考虑到文中公开的说明书和发明实践，本发明的其他实施方案对 于本领域技术人员是清楚的。说明书和实施例旨在仅视为示例性的, 本发明的真正范围由以下权利要求指出。