沸石分子篩的催化機理

分子篩泛指具有均一微孔而能選擇性地吸附直徑小于其孔徑的分子的一類吸附劑。如沸石分子篩、碳分子篩、微孔玻璃分子篩等。常用的沸石分子篩，系結晶硅鋁酸鹽，其化學通式為〔M2(Ⅰ )·M(Ⅱ)〕O·Al2O3·nSiO2·mH2O，其中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分別為1價和2價金屬離子，n為硅鋁比，m為結晶水分子數。有A型、X型、Y型等型號，孔徑在3～10之間。沸石分子篩具有內表面很大的孔穴，可吸附和儲存大量分子，故吸附容量大；孔徑大小整齊均一，又是一種離子型吸附劑，吸附選擇性強；在較高溫度和較低分壓下對一些極性分子仍能保持較強的吸附能力。廣泛應用于干燥、分離等。沸石分子篩是一種無機晶體材料，因具有規(guī)整的孔道結構、較強的酸性和高的水熱穩(wěn)定性而廣泛應用于催化、吸附和離子交換等領域中，并起著不可替代的作用。

結構

沸石分子篩是一族結晶性硅鋁酸鹽的總稱。沸石基本的結構是由(SiO4)四面體和(AlO4)四面體。相鄰的四面體由氧橋連結成環(huán)，環(huán)有大有小，按成環(huán)的氧原子數劃分，有四元氧環(huán)，五元氧環(huán)，六元氧環(huán)，八元氧環(huán)，十元氧環(huán)和十二元氧環(huán)；環(huán)是分子篩的通道孔口，對通過的分子篩起篩分作用。氧環(huán)通過氧橋相互連結，形成具有三維空間的多面體。多面體有中空的籠，籠是分子篩結構的重要特征?？斩粗泻薪Y晶水和陽離子，這些陽離子用來中和(AlO4)四面體的負電荷，利用加熱或減壓的辦法，可以比較容易地脫除一部分或全部結晶水。

催化機理

沸石分子篩在各種不同的酸性催化反應中，能夠提供很高的活性和不尋常的選擇性，且絕大多數反應是由分子篩的酸性引起的，酸度及其酸強度分布是分子篩的重要參數。研究表明，分子篩中B 酸來源于骨架四面體鋁，而L 酸主要來源于非骨架六面體鋁，所以分子篩中Al 的含量及其分布與分子篩的表面酸性物質密切相關，故可采用分子篩的脫鋁和補鋁等二次水熱處理，得到理想的硅鋁比的分子篩。此外，分子篩的酸性還受取代金屬離子影響，由于多價金屬離子的水解作用，導致催化劑表面酸中心重新分布。

1. 篩分效應

包括反應物擇形和產物擇形。反應物的擇形催化在煉油工業(yè)中已獲得多方面的應用，油品的分子篩脫蠟，重油加氫裂化等都是。產物擇形在改變產品分布、提高目的產物效率上有顯著效果，但也存在有害的一面，這些未擴散出來的大分子，或者異構成線度較小的異構體擴散出來，或者裂解成較小的分子，乃至不斷裂解、脫氫，以炭的形式沉積于孔內和孔口，導致催化劑的失活。

2. 庫倫場效應

晶體內表面的離子特性和沸石與吸附物分子之間的靜電場作用強度取決于沸石的硅鋁比以及交換的陽離子。納交換型低硅鋁比沸石具有一個強靜電場，而高硅鋁比的氫型沸石則沒有。

3. 構型擴散

發(fā)生在催化劑的結構尺寸接近分子大小的情況下。在這種擴散方式下，分子大小的一個微小變化都引起其擴散系數顯著改變。

4. 空間適應性或過濾態(tài)選擇性

有些反應，只是由于需要內徑或籠腔有較大的空間，才能形成相應的過渡狀態(tài)，不然就受到限制，使該反應無法進行。ZSM-5催化劑用于這種過渡態(tài)選擇性的催化反應。

5. 穿行控制

一些沸石(HZSM-5 分子篩)具有不同孔道尺寸的交叉孔道。由于小孔道只能通過小分子，而大孔道可通過大的和小的分子。