论文标题：Formulation of zeolite-mesoporous silica composite catalysts for light olefin production from catalytic cracking

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Hassan Alhassawi, Edidiong Asuquo, Shima Zainal, Yuxin Zhang, Abdullah Alhelali, Zhipeng Qie, Christopher M. A. Parlett, Carmine D’Agostino, Xiaolei Fan, Arthur A. Garforth

发表时间：15 Nov 2024

DOI： 10.1007/s11705-024-2480-7

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轻烯烃（包括乙烯、丙烯和丁烯）是生产化妆品、润滑剂、橡胶、洗涤剂及聚合物的重要化学品。据预测，到2028年轻烯烃市场需求将达到3293亿美元，年增长率4.5%。然而，传统蒸汽裂化技术的供应能力有限，优化催化裂化工艺成为提升轻烯烃产能的关键路径。其中，开发高选择性的催化裂化（FCC）催化剂是核心的挑战——尽管沸石的微孔结构提供了关键酸性位点和择形性，但其也可能限制大分子的扩散，导致催化效率下降和失活。那么，如何通过材料设计平衡微孔酸性与介孔传质呢？

英国曼彻斯特大学化工系Hassan Alhassawi与Arthur A. Garforth等人在《化学科学与工程前沿》（英文）发表了题为“Formulation of zeolite-mesoporous silica composite catalysts for light olefin production from catalytic cracking”（用于催化裂化生产轻质烯烃的沸石-介孔二氧化硅复合催化剂的制备）的研究论文，通过物理混合微孔沸石（Y型、ZSM-5）和介孔二氧化硅（KIT-6、SBA-15、MCM-41），构建了微-介孔复合催化剂，旨在通过介孔结构改善传质，同时保留沸石的酸性位点，从而提升轻烯烃的选择性与收率。

本研究首先采用表面活性剂模板法合成了SBA-15和KIT-6介孔二氧化硅，并结合市售MCM-41，与Y型沸石、ZSM-5按不同比例混合，经干燥、焙烧制备复合催化剂。通过X射线衍射（XRD）、氮气吸附-脱附（BET）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）及脉冲场梯度核磁共振（PFG-NMR）等手段，系统表征了材料的晶体结构、孔道特性、形貌及分子扩散行为；以正庚烷为模型化合物，在550 ℃、重量空速0.41 h^-¹的条件下进行催化裂化实验，评价催化剂的性能。

图1 催化裂化反应实验装置示意图。1. 氮气和空气压力调节器；2. 阀门；3. 质量流量控制器；4. 鼓泡器；5. 冷却浴槽；6. 压力表；7. 泄压阀；8. 反应管；9. 炉；10. 玻璃棉；11. 催化剂床层；12. 玻璃珠；13. 气相色谱仪；14. 数据采集器。

结果显示，复合催化剂的微孔表面积较单一介孔材料提升了50%-55%，介孔体积降低了10%-20%，形成了平衡的微-介孔结构。催化性能方面，ZY/ZSM-5/SBA-15（20:20:60 wt %）表现最优，正庚烷转化率达95%，乙烯/丙烯选择性为8%；ZY/ZSM-5/KIT-6（20:20:60 wt %）转化率为85%，选择性约6%；而ZY/ZSM-5/MCM-41（20:20:60 wt %）因MCM-41孔径较小，扩散阻力较大，转化率仅79%。脉冲场梯度核磁共振（PFG-NMR）分析进一步揭示，SBA-15和KIT-6的较大介孔显著降低了正庚烷的晶内扩散阻力，而MCM-41的小孔径导致了更高的扩散限制。热重分析（TGA）显示，三种催化剂反应12小时后积碳量均低于1.5%，表明其抗积碳性能良好。

图2 (a) ZY/ZSM-5/KIT-6(20:20:60)、ZY/ZSM-5/MCM-41(20:20:60)和ZY/ZSM-5/SBA-15(20:20:60)复合催化剂的氮气吸附-脱附等温线；(b) 基于BJH法的孔径分布

图3 (a) 不同复合催化剂的正庚烷转化率；(b) 轻烯烃总收率（条件：温度550 ℃，重量空速0.4 h?¹，反应时间4 h，常压）

图4 选定复合催化剂在550 ℃、常压下的寿命测试（反应时间12 h，重量空速0.4 h^-¹）：(a) 正庚烷转化率；(b) 轻烯烃总收率；(c) 轻烯烃产物分布；(d) 气体收率分布

本研究表明，通过调控沸石与介孔二氧化硅的比例及介孔材料类型，可有效平衡催化剂酸性位点的可及性与分子扩散效率。其中，SBA-15基复合催化剂因介孔结构更优，在转化率与选择性上表现突出。这一工作为设计高效催化裂化催化剂提供了实验依据，也为轻烯烃生产技术的优化提供了思路。

引用信息

Hassan Alhassawi, Edidiong Asuquo, Shima Zainal, Yuxin Zhang, Abdullah Alhelali, Zhipeng Qie, Christopher M. A. Parlett, Carmine D’Agostino, Xiaolei Fan, Arthur A. Garforth. Formulation of zeolite-mesoporous silica composite catalysts for light olefin production from catalytic cracking. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 133

https://doi.org/10.1007/s11705-024-2480-7

本文来自

Porous materials for catalysis and separation

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-024-2480-7

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