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乙烯以及丙烯等低碳烯烃作为基础原料,在石油化工以及精细化学品合成等领域有着重要而广泛的应用。然而,随着石油资源的日益紧缺,迫使人们寻找一种不依赖石油资源制备低碳烯烃的途径。截至目前,甲醇制烯烃(MTO)反应被认为是最成功且最具前景的采用非石油路径生产低碳烯烃的方法,它以储量丰富的煤、天然气以及生物质为原材料,最终生产乙烯和丙烯等低碳烯烃,极大地缓解了石油资源的短缺与匮乏。因而,在最近的几十年间,MTO反应得到了国内外科学家们广泛的关注。微孔分子筛由于其规则的孔道结构,独特的择形催化选择性以及适宜的酸性,在石油化工领域,尤其是固体酸催化方面有着重要的应用。截至目前,有非常多种类的沸石分子筛催化剂应用于MTO反应之中,其中,具有MFI拓扑结构的硅铝酸盐分子筛ZSM-5,以及具有CHA拓扑结构的硅取代磷酸铝分子筛SAPO-34在MTO催化反应中展现出最优异的催化性能。SAPO-34分子筛的结构中具有一个尺寸较大的cha笼,同时具有三维8元环交叉孔道,与ZSM-5分子筛相比具有更高的乙烯和丙烯选择性,在甲醇转化率为100%时,双烯收率可以达到80%以上。然而,在MTO催化反应中,SAPO-34分子筛外表面以及笼和孔道中易于形成体积较大的积碳类物质,极易导致催化剂失活。因而有效地减少积碳类物质的生成速率,进而延长催化剂催化寿命,提高催化剂的催化性能具有极其重要的意义。根据文献报道,具有纳米尺寸以及多级孔道结构的SAPO-34分子筛可以显著地提高反应物以及产物在晶体内部的扩散速率,有效地减少积碳的生成速率,进而延长催化剂的催化寿命以及提高低碳烯烃的选择性。本论文主要围绕着合成具有优异催化性能的纳米尺寸以及多级孔道结构的SAPO-34分子筛催化剂开展研究,并且系统地研究了所合成分子筛催化剂的晶化过程,详细表征了晶体内部孔道结构,同时探讨了影响MTO催化反应的相关因素,这些都为进一步探索制备高性能SAPO-34分子筛催化剂以及优化催化反应条件提供借鉴与指导。具体得到的科研结果如下:1.采用传统水热合成的方法,以四乙基氢氧化铵(TEAOH)为模板剂,成功合成了具有极高产率(>80%),不同硅含量的纳米片状SAPO-34分子筛以及SAPO-18分子筛。通过三维电子衍射(3D EDT)技术,成功地解析了所合成的纳米晶体结构。同时,借助电镜手段,确定了晶体的取向性以及晶体内部缺陷,这些都极大地有助于进一步理解该类纳米晶体催化剂在MTO反应中的催化行为。研究结果表明,当纳米片状SAPO-34分子筛催化剂中的硅含量降低时,其在MTO催化反应中的催化寿命增加,同时,相较于SAPO-18催化剂而言,SAPO-34催化剂具有更长的催化寿命(超过1200 min)以及更高的乙烯和丙烯选择性。此外,与之前的文献相比,具有最低硅含量的纳米片状SAPO-34样品在类似的催化条件下,展现出迄今为止最长催化寿命以及最低的积碳生成速率。该工作表明,将3D EDT技术结合透射电子显微镜(TEM)以及电子能谱(EDS)分析应用于纳米单晶中,可以更加清晰准确地获得纳米晶体结构、取向以及组成信息,这些对于更好地理解纳米晶体在催化过程中所展现出来的催化性能有着非常重要的意义。2.采用传统水热合成的方法,以吗啉为微孔结构导向剂,有机硅烷二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵(TPOAC)为介孔结构导向剂,成功地制备了具有微孔-介孔复合的多级孔结构SAPO-34分子筛催化剂。相较于传统微孔SAPO-34分子筛,多级孔SAPO-34分子筛由于存在多级孔道结构,降低的酸性,以及减小的晶体尺寸,在MTO催化反应中展现出优异的催化性能,其催化寿命是传统SAPO-34分子筛催化剂的4倍,乙烯以及丙烯的总选择性提高10%以上。该工作对于使用有机硅烷导向合成具有高催化性能的多级孔结构硅磷酸铝分子筛具有一定的指导和借鉴意义。3.采用传统水热合成的方法,使用三乙胺为模板剂,通过采用在富铝的凝胶中引入聚乙二醇2000聚合物的方法,首次成功制备了具有微孔-介孔-大孔三级孔道结构复合的多级孔SAPO-34分子筛。该分子筛晶体展现出中空的立方体形貌,并且在晶体内部存在微孔-介孔-大孔复合的多级孔道结构。由于提升的传质速率以及降低的酸性,相较于微孔SAPO-34分子筛催化剂,多级孔SAPO-34分子筛催化剂展现出更加优异的催化性能,其催化寿命提升6倍以上,乙烯和丙烯的总选择性提高5%左右。此外,我们还系统地研究了中空多级孔SAPO-34分子筛的形成机理,以及影响MTO催化性能的因素。该工作展示了一种新颖而又简单的合成晶体内微孔-介孔-大孔复合的三级孔道结构复合的多级孔分子筛的方法,所合成的多级孔分子筛催化剂展示出优异的催化性能,这为多级孔分子筛催化剂的合成与应用提供了一定的借鉴与指导意义。4.使用不锈钢反应管作为反应容器,通过油浴加热以及晶种辅助合成的方法,在10 min内成功合成了具有较高结晶度的纳米SAPO-34分子筛催化剂。晶种的加入以及热量的快速传递,极大地加速了分子筛的形成。更重要的是,在10 min内合成的纳米尺寸的SAPO-34分子筛催化剂在MTO催化反应中展现出极高的催化活性,其催化寿命以及低碳烯烃选择性与使用传统反应釜在相同初始凝胶配比的条件下晶化12 h得到的催化剂基本相同。该工作对于超快合成具有优异MTO催化性能的SAPO-34分子筛催化剂提供了新的合成思路,也对进一步实现高性能纳米SAPO-34分子筛快速合成的工业放大提供借鉴。