类分子筛材料指具有与分子筛相近结构和不同成分的材料。
类分子筛催化材料
能改变化学反应速度而本身又不参与反应最终产物的类分子筛材料。
- 英文名称
- molecular sieve-type catalytic materials
- 所属学科
- 材料科学与工程
典型的类分子筛催化材料包括类沸石咪唑酯骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks,ZIFs)及各类三维有序大孔材料(three-dimensionally ordered macroporous materials,3DOM)等。
ZIF系列是由过渡金属原子(Zn/Co)与咪唑或咪唑衍生物连接而生成的一类新型的、具有沸石拓扑结构的纳米多孔材料。它是由美国密歇根大学以O.亚吉(Yaghi)为首的科学家研究合成出来的。ZIF结合了传统沸石和金属有机骨架材料(MOFs)的优点,具有大的比表面积和孔体积、规整的孔道结构、种类的多样性以及良好的水热稳定性和化学稳定性等优点。已经被广泛用于诺尔葛耳缩合反应、醇酸缩合反应、氧化反应、氢化反应、Suzuki交叉偶联反应、Friedel-Crafts烷基化反应等催化过程。除了单独作为催化剂外,以ZIF材料作为载体,负载贵金属或金属氧化物制备催化材料,则可将其应用范围进一步推广。
3DOM指孔尺寸单一、孔结构在三维空间有序排列且孔径大于50纳米的有序多孔材料。作为催化剂材料,大孔和孔的开放性是3DOM结构上的两大特点。大孔可用于大分子催化,孔的开放性是面心立方排列的每个空气球都与12个空气球相通,构成一个大孔通道网络,有利于大分子在孔道中的传递过程。对于大分子催化来说,反应物料在催化剂内的扩散是控制因素,3DOM在结构上提供了一个理想的扩散媒介。由于大孔而导致的比表面积下降可通过细化大孔的孔壁结构来补偿。文献已报道了用微孔和中孔分子筛作为孔壁材料的3DOM,这种复合孔道结构对于重油转化催化剂的结构设计具有特殊的意义。较开放的大孔结构则会连接更多的基团,具有较高的活性和选择性。另外,3DOM结构孔壁一般都由纳米粒子构成,如果对其表面进行进一步修饰,将会产生独特的催化作用。
类沸石金属有机骨架(MOF)的合成方法主要有以下几种:溶剂热合成法、水热合成法、液相扩散合成法、胶体化学合成法、微波合成法和超声合成法。其中溶剂热合成法和胶体化学合成法最常用。3DOM材料则主要依靠模板法制备,常见的模板包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和二氧化硅(SiO2)小球。经过模板的堆积、目标材料前驱体的填充(溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等)和模板的去除(煅烧法、腐蚀法),即可得到所需的3DOM材料。制备工艺的复杂和高成本是限制这两类材料大规模工业化的首要因素。