合理设计分层沸石 以获得更好的扩散和催化剂效率

由于具有各种晶体拓扑结构，可调节的化学组成，高(水)热稳定性和可控制的表面酸度/碱度，因此沸石广泛用于炼油，石化生产，精细化学合成，生物医学，环境化学等领域。然而，对于许多沸石催化的反应中，所涉及的反应物种的分子直径通常大于沸石的孔径。这导致在催化剂的本体相和活性中心之间的不期望的扩散阻力，从而显着降低了催化剂效率。

减轻基于沸石的催化剂的扩散阻力和提高催化剂效率一直是学术界和工业界最关注的问题之一。在过去的几十年中，用于将分层的微/介孔结构整合到沸石中以提高扩散和催化剂效率的工具已经大大丰富。

然而，在实际的工业催化过程中，即使沸石组分包含分层的多孔结构，它也仅仅是多组分工业催化剂的组分之一。沸石基工业催化剂基本上是由微孔沸石和大孔非沸石组分组成的分级结构。当分层多孔结构被整合时，催化剂还具有微/中//大三峰分层结构。显然，工业沸石基催化剂的分级孔隙结构存在两个层次：“沸石组分内部”和“工业催化剂组分之间”。

在总部位于北京的《国家科学评论》上发表的新评论文章中，位于中国青岛的中国石油大学的科学家(彭鹏，严子峰)，位于北京的中国石油天然气公司的高雄侯(高雄侯) ，法国卡昂的法国国家科学研究中心(CNRS)(Svetlana Mintova)从催化反应工程的角度分析了分层微/介孔结构合理设计的最新技术。

从催化反应工程的角度来看，用于评估催化剂效率的定量指标是催化剂有效因子(η)和Thiele模量(φ)。如果催化剂体系具有较强的抗扩散性(η<0.25)，则η是φ的倒数，因此η增大意味着φ减小。根据φ的定义，可以通过增加有效扩散系数(Deff)或缩短扩散路径(L)来增强η。基于此，分层沸石中的介孔结构可分为三种类型：(1)“功能性中孔”(增加有效扩散系数，Deff);(2)“辅助中孔”(缩短扩散路径，L);(3)“整合中孔”(同时增加Deff并缩短L)。对于分层沸石材料，极好的孔互连性可确保在微孔的活性位点上形成的产物快速扩散和解吸，从而避免失活。对于诸如流化催化裂化(FCC)之类的级联反应网络，精心设计的分层多孔结构可以确保微孔和中孔之间的互连，这对于FCC过程中的反应中继非常重要。

具有分级多孔结构的沸石只是实际工业催化剂的组分之一。为了满足工业催化过程中机械强度，水热稳定性，抗中毒和结焦的要求，工业催化剂需要添加其他非沸石组分。虽然工业催化剂之间的相互作用机理由于没有完全理解组分，因此沸石和非沸石组分之间的多孔结构的不理想匹配会导致分层孔隙沸石组分的性能降低。在工业催化剂中，分级催化剂和其他非沸石组分的孔互连性的协调是迫切需要解决的问题。

制备分级多孔材料的最终目标是通过控制分级孔结构，不同组分的位置和互连性，在工业规模上充分释放其潜力，这对于提高其催化效率起着关键作用。开发组合的原位或操作光谱，显微或衍射技术是揭示分层沸石作为工业催化剂组分的结构-活性关系的关键。

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