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目前,碱性介质下原位合成含Mo介孔复合材料面临Mo载量低以及Mo源利用率低双重限制。为合成高Mo载量的介孔复合材料,本研究首次提出并首次实现向合成体系中加入辅助模板剂HAcac,建立了碱性条件下原位制备高Mo载量的高HDS活性的MoSiOx介孔材料的方法。采用XRD、FT-IR、SEM、TEM、N2-sorption、29Si MAS NMR、Py-FTIR、XPS、ICP-AES、UV-DRS等技术对材料的形貌以及微观性质、金属负载情况等进行研究。采用微型反应装置对所制备的MoSiOx以及NiMoSiOx进行柴油HDS活性评价以及稳定性研究。通过UV分光光度分析与表征结果结合对合成机理进行探索。结果发现:
在浓强碱性条件下制备的MoSiOx(S)具有球形外貌,很高的比表面积,均一可调的介孔孔径以及很高的孔容:Mo过渡物种在表面富集且高度分散,MoSiOx(s)中Mo的载量可达6.3 wt%以上,与文献报道的原位合成最高结果相当。Mo的引入一定程度上降低了材料中的Si-OH含量,对材料稳定性提高有利。材料的酸性主要来自强L酸中心,因而使材料具有HDS反应所需的中强酸酸性。
HAcac作为合成的核心因素,决定着能否制备得到固相产品,影响MoSiOx(s)的结构规整性、孔径尺寸以及Mo过渡金属的分散、富集以及载量,合成过程中需严格控制其用量。
采用本研究所建立的HAcac原位加入方法,可以制备得到高过渡金属负载量的WSiOx(s)和VSiOxq(s)介孔复合材料,说明所采用的方法对过渡金属与介孔材料复合而言非常有效。对VSiOx(s)介孔复合材料而言,其结构呈现出大孔-介孔的梯级孔分布特征。
在弱碱性条件下制备的MoSiOx(w)具有比MoSiOx(s)更加规整的球形外貌,具有较大的比表面积,均一分布的孔径尺寸,以及较大的孔容。在保持介孔结构不被破坏的情况下,MoSiOx(w)材料中Mo载量可达14.6 wt%以上;而Mo物种在表面高度分散时的载量至少可达10wt%;材料的酸性同样主要来自L酸,酸度分布表现出弱-中强酸性质。MoSiOx(w)制备过程中的高Mo源利用率(~60%)及结构特征使本系列介孔材料具有良好的应用前景。
MoSiOx(w)制备过程的影响因素研究表明,氨水以及HAcac、Mo源用量对MoSiOx(w)性质都有影响。氨水影响氧化物的沉积速率、Mo的载量以及所合成材料的孔道尺寸;HAcac则对孔径尺寸,孔道结构规整性以及Mo的载量存在影响;HAcac和氨水都影响Mo源的利用率。Mo源用量改变导致相平衡移动,从而影响MoSiOx(w)中Mo的载量,并因此对孔道尺寸造成影响。
采用与弱碱性条件下合成MoSiOx(w)相同的HAcac原位加入法,可制备得到具有规整球形外貌的WSiOx(w)和VSiOx(w)复合材料,证明该方法在过渡金属引入中的可行性。对VSiOx(w)的表征结果表明,VSiOx(w)具有大孔-双介孔孔径分布,因而可能在催化应用中发挥更好的催化效果。
对材料的催化性能研究发现,所制备的MoSiOx系列材料具有高于同Mo载量Mo-MCM-48的柴油HDS活性,均可实现柴油产品硫含量低于10ppm。采用新颖的反补方法向MoSiOx中引入Ni,制备得到NiMoSiOx(s)和NiMoSiOx(w)系列材料,其中,NiMoSiOx(w)和NiMoSiOx(w,u)催化柴油HDS可使得柴油加氢后产品中的S含量极低,实现真正意义上的“零硫”清洁柴油。从NiMoSiOx(w)稳定性考察结果看,经过300hr的运转,仍可得到“零硫”柴油产品,证明材料的稳定性非常好。对比研究发现,NiMoSiOx(w)系列产品的HDS活性高于同金属载量的NiMo-MCM-48,说明原位制备以及反补方法有着明显的优势。
由表征分析、合成研究以及UV表征,对HAcac的作用机理进行研究,并建立了系列机理模型,包括促进沉淀机理和扩孔机理、提高Mo载量机理以及弱碱性条件下的合成机理等。研究认为,在强碱性条件下,HAcac加入到体系后,会通过静电作用连接到CTAB胶束外侧,因此得到新型胶束模板。低聚态硅物种通过与(H)Acac形成分子间氢键而在新型胶束外围组装,Mo物种通过与HAcac配位成键而在胶束外围聚集,因而实现载量增大并使Mo在孔道内表面富集。