柯 明，周慧云，周耀文

（1. 中國石油大學（北京）， 北京102249； 2. 南昌廣播電視大學，江西 南昌 330046）

1 引 言

美孚（Mobil）公司在1990年合成出了MCM-22分子篩，采用的模板劑是六亞甲基亞胺（HMI）[1]；Leonowicz等[2]確定了MCM-22分子篩的結構；國際沸石聯(lián)合會（IZA）在1997年，命名該分子篩的為MWW 型拓撲結構[3]。MCM-22分子篩具有層狀結構，層間以氧橋相連，具有兩套互不相同的10元環(huán)孔道和12元環(huán)孔道。由于MCM-22分子篩具有酸性強、水熱穩(wěn)定性高以及獨特的孔道結構，使其在催化裂化、汽柴油改質及環(huán)境保護等多領域有很高的應用價值。

催化劑不同的孔道結構及表面酸堿性對催化性能有很大影響，為了更好地發(fā)揮MCM-22分子篩的催化作用，常需要對其進行改性處理，常用的改性方法浸漬法、離子交換法、雜原子同晶置換法、酸堿處理、水熱處理等。這些方法都可以有效地調變分子篩的孔道結構和表面酸性，從而使MCM-22分子篩具有更高的活性和催化性能。改性后的MCM-22分子篩在石油化工和精細化工領域有更廣泛的應用。本文綜述了常見的MCM-22分子篩改性方法。

2 MCM-22分子篩改性

2.1 浸漬法

在分子篩改性中，浸漬法是最常用的方法，目前大多數(shù)文獻報道的浸漬法改性MCM-22分子篩，主要有以下幾個方面，堿土金屬（K、Li），第二主族元素（Mg、Ca），副族元素（Ni、Cu、Zn、Co、Mo），非金屬（P）等。

李玉寧[4]等用浸漬法制備了鉀金屬修飾的MCM-22分子篩，通過負載鉀金屬可以明顯降低MCM-22分子篩的酸中心數(shù)量，強酸峰和弱酸峰的峰溫均明顯向低溫方向移動，金屬鉀對MCM-22分子篩強酸的毒化作用明顯強于其對弱酸的毒化作用。考察了改性分子篩對1-己烯加氫異構和芳構化反應，通過在MCM-22分子篩上浸漬適量鉀金屬，得到合適分子篩的酸量和酸強度分布，可以調節(jié)1-己烯異構化和芳構化反應比例，并抑制裂解和降低催化劑上的積碳速率，從而提高穩(wěn)定性。

張文飛[5]等制備了一系列 MgO/HMCM-22催化劑，隨著MgO的負載量的增加，催化劑強堿堿強度及堿量明顯增加，而強酸酸強度和酸量明顯減少，弱酸酸位有所增加，改性后的催化劑上同時存在一定量的堿中心和酸中心。隨著MgO負載量的增加，苯甲醛和氰基乙酸乙酯的 Knoevenagel縮合反應中苯甲醛的轉化率顯著增加，當負載量為 8%時，苯甲醛轉化率達到 92.6%，改性后分子篩，可以提供堿中心和酸中心共同促進該反應的進行。MCM-22分子篩特殊的結構，使其對大分子反應如苯和長鏈烯烴烷基化等反應有獨特的催化性能，有較好的催化性能與擇形性。李永昕[6]等以 Mg(NO3)2為前體，制備MgO改性的MCM-22分子篩，改性后MCM-22分子篩的強酸中心幾乎消失，弱酸中心與改性前分子篩區(qū)別不大，同時B酸中心減少而L酸中心略有增加。適量的MgO改性分子篩可以調節(jié)酸性，有利于苯與碳酸二乙酯的烷基化反應的進行，在MgO負載量為 3%時，苯與碳酸二乙酯烷基化反應收率達到最佳。

普通浸漬前驅體可能進入孔道，導致催化劑活性降低，通過絡合浸漬可以避免硝酸鎂等進入分子篩內(nèi)部，文獻[7-9]分別以檸檬酸、乙酰乙酸乙酯和蘋果酸作為絡合劑，通過絡合浸漬的方法制備不同負載量的MgO/MCM-22催化劑；改性后分子篩外表面的酸性中心得到有效屏蔽，抑制了對二甲苯在分子篩外表面的異構化副反應，同時分子篩內(nèi)部孔道的特性能得到極好保持，與普通浸漬法改性的催化劑相比，在提高轉化率的同時維持較高的對二甲苯的選擇性。

薛兵[10]等將普通浸漬和絡合浸漬結合，用兩步浸漬的方法制備了 MgO改性分子篩，普通浸漬法MgO前驅體可以進入分子篩孔道內(nèi)，調整孔徑尺寸，絡合浸漬有效屏蔽了分子篩外表面的酸性中心，當普通浸漬 3%MgO，絡合浸漬 15%MgO，制備3%～15%MgO/MCM-22改性催化劑，在甲苯和碳酸二甲酯烷基化反應制對二甲苯反應中，對二甲苯的選擇性達到 90.3%，反應物在改性分子篩表面不發(fā)生副反應，調整后的孔道尺寸使反應物進入分子篩內(nèi)部，進行擇型反應，進一步提高選擇性。

MCM-22浸漬Ca改性后，在負載量小于6.5%時，CaSO4高度分散于分子篩上，分子篩的弱酸中心酸強度與酸量基本變化，強酸中心酸量略有降低，同時分子篩中引入弱堿及強堿中心；在烷基磷酸酯的合成反應中[11]，CaSO4協(xié)同HMCM-22分子篩酸性中心促進了酯化反應，在負載量為 3%時，磷酸轉化率達到80.0%，單酯選擇性為99.8%。

Mo浸漬改性的MCM-22分子篩在催化甲烷脫氫芳構化反應[12]中，與 Mo/ZSM-5相比，在相同的實驗條件下，苯的收率更高，萘的收率更低，在浸漬量 6%時，甲烷轉化率達到 10%，苯的收率可以達到80%。表征結果顯示，浸漬量小于10%時，Mo高度分散在分子篩表面，保留原來的分子篩結構，但表面積降低；隨著負載量增加，弱酸和強酸酸量都減少，中等強度酸中心酸量增加，Br?nsted酸減少了 60%，Mo與分子篩的 Br?nsted酸相互作用，產(chǎn)生中等強度的酸；分散的Mo元素、獨特的孔道以及合適的酸性使改性Mo/MCM-22分子篩在甲烷脫氫芳構化中有良好的催化性能。Z. Sobal?k[13]等用FTIR方法研究了浸漬Mo對MCM-22酸性和結構的影響，研究表明與橋聯(lián)OH相關的B酸和與Al相關的L酸，分別減少了50%和20%；提供質子的橋聯(lián)OH在捕獲和分散MoOx前驅體中起到重要作用，作者假設大部分位于分子篩孔道中的 MoOx形成Mo-O-T結構，根據(jù)OH的減少量和Mo總量可以估算Mo/OH大約為3，Ding[14]等假設通過兩個臨近的Br?nsted酸中心與Mo結合形成(Mo2O5)2-結構，Mo/OH比率為 1；如果兩種假設都正確，則只有三分之一的氧化鉬直接以Mo-O-Al的形式成鍵。在甲烷芳構化過程中，Mo/ MCM-22與H/ MCM-22相比可以顯著抑制芳構化結焦現(xiàn)象的發(fā)生。

Shing-Jong Huang[15]等利用 NMR研究了 Mo/H-MCM-22的結構和酸性，制備了 Mo負載量2%～10%范圍的催化劑，煅燒處理對Mo物種的是否擴散均勻是至關重要的；研究表明，在最初浸漬量較少時，Mo物種主要在定位在超籠中，而不是十元環(huán)中來鈍化Br?nsted和Lewis酸位；而當Mo的浸漬量超過6%(wt)時，過量的Mo向催化劑晶體外表面遷移，沉積在十元環(huán)孔道孔口處；在Mo量小于6%時，隨著鉬含量的增加，酸濃度尤其是強酸位的濃度持續(xù)減少，當Mo量大于6%時，B酸和L酸濃度進一步減少；表征結果表明最強酸位（化學位移：84×10-6和76×10-6）的濃度隨著Mo浸漬量的增加而增加，在Mo量為6%時達到最高值。在甲烷脫氧芳構化中，Mo浸漬量分別為2，6和10%時，甲烷轉化率分別為5.7，10和5.8%，苯的選擇性分別為67.8，80.0和61.4%，浸漬量為6%時轉化率和收率達到最佳，結果與有最高強度的Br?nsted酸濃度有相似的趨勢，得出強酸位在反應中發(fā)揮主導作用的結論。

MCM-22分子篩通過共浸漬方法，浸漬過渡金屬Pd和Cu，制得Cu-Pd/MCM-22催化劑，應用在二甲醚低溫水解反應[16]中，與 HMCM-22分子篩相比，具有更高的二甲醚水解活性，是Pd和Cu與B r?nsted酸協(xié)同作用的結果。在甲烷熱催化分解合成碳納米管[17-18]的反應中，在Ni/MCM-22催化劑的基礎上，用浸漬法制備了 50%Ni-10%Cu-10%Zn/MC M-22，在 750 ℃下，碳納米管收率達到最佳，Cu和Zn的加入可以避免Ni的團聚，促進Ni的擴散，對碳納米管的形成是有利的, Ni-Cu-Zn三種金屬可以促進催化劑的活性。

田玲[19]等采用浸漬法制備了一系列用于苯和1-十二烯烴烷基化合成十二烷基苯的磷改性MCM-22分子篩，磷改性不影響分子篩的晶體結構，但是破壞分子篩上的Si-O-Al鍵，使部分四配位鋁轉換為六配位鋁；當磷含量較低時，P-OH的數(shù)量可以擬補分子篩酸性中心的損失，從而表現(xiàn)為總酸量和B酸中心增加，當磷含量超過 1%時，多聚態(tài)磷酸鋁物種增加，使磷羥基數(shù)目減少，并且減少了暴露的鋁原子數(shù)目，因而表現(xiàn)為總酸量和B酸中心數(shù)降低。磷含量為0.5%時，十二烷基苯的收率達到最佳；未經(jīng)磷改性的HMCM-22初始活性也較高，但穩(wěn)定性不足，經(jīng)適當磷改性后，可以擴大分子篩的孔徑，有利于提高分子篩的催化穩(wěn)定性。Wangxin[20]等將磷改性的MCM-22用在甲醇制烴類反應中，磷的引入有效改變了甲醇烴類化反應的產(chǎn)物分布，浸漬磷量為3%時，在350℃反應40 h后，甲醇轉化率為100%，低碳烯烴的選擇性可達到70%，其中丙烯的選擇性大約為40%，反應中可以大量減少二烯烴，芳香族物質的生成。

2.2 離子交換法

分子篩具有規(guī)則孔道結構和空腔的結構骨架，其中存在陽離子，定位在分子篩孔道或空腔中某一位置上；分子篩中位于孔道開口附近的陽離子種類和數(shù)目會影響孔徑大小及其性質，因而通過離子交換法改變分子篩孔道中陽離子，可以改變分子篩孔徑及其性質。

N.Kumar[21]等利用離子交換法制備了 Ga和 Zn改性的MCM-22分子篩，Ga和Zn物種在分子篩結構中高度分散；由于獨特的幾何拓撲結構，由相互獨立無交叉的十元環(huán)孔道系統(tǒng)及超籠組成，使MCM-22分子篩在正丁烯芳構化中具有擇型選擇性，Ga和Zn物種的引入能提高反應的活性、選擇性和穩(wěn)定性，高度分散的Ga和Zn物種與Br?nsted酸是正丁烯芳構化的活性中心。

Vesselina[22]等用還原固態(tài)離子交換方法，將In2O3轉變?yōu)镮nO+，取代分子篩中質子，達到用銦改性MCM-22分子篩的目的，得到In/MCM-22；InO+陽離子形成的路易斯酸位可以抑制甲苯異構化反應，有利于甲苯的歧化反應，提高二甲苯的選擇性；隨著 InO+陽離子的引入，更有利于 p-二甲苯的生成，0.3In/MCM-22催化劑反應后，p-/(m-+o-)二甲苯的比率可達1.0，未改性HMCM-22比率的平衡值是0.5；In的引入縮小了MCM-22分子篩的孔徑，減少了表面質子的濃度，這兩方面使對二甲苯的選擇性提高。Piaoping Yang[23]等用離子交換法制備Pd/MCM-22催化劑，Pd的引入對分子篩結構有很小的影響，但是比表面積，孔徑以及酸位濃度都隨著Pd量的增加而降低。在Pd的交換量為0.5%時，金屬和酸位達到合適的平衡，丙酮一步制備甲基異丁基酮效果最好，丙酮轉化率為34%，甲基異丁基酮的選擇性達到86.9%。

2.3 雜原子同晶置換法

利用雜原子（包括某些過主族元素，有變價特征的過渡元素等），同晶置換分子篩骨架中硅、鋁或磷，形成含雜原子分子篩骨架，制得雜原子分子篩。在催化反應中，雜原子為分子篩提供不同的吸附中心，從而改變分子篩催化性能[24]。

A.A. Teixeira-Neto等對MCM-22分子篩進行V同晶置換改性，通過水熱法將 V元素引入到MCM-22分子篩骨架中，制得不同 V含量的[V,Al]-MCM-22分子篩，分子篩中形成 V-O-Si骨架，雜原子的引入使分子篩有更高的結晶度，這種結構使分子篩有更強的表面酸性，更多的酸性位，提高了丙烷氧化脫氫反應的活性和選擇性，表明[V,Al]-MCM-22是一種性能獨特的酸/氧化還原雙功能催化劑[25-27]。Wu[28]及Testa[29]等人以硝酸鐵為原料經(jīng)水熱法合成了 Fe-MCM-22分子篩，F(xiàn)e3+進入MCM-22分子篩骨架，它的酸強度比 Al-MCM-22分子篩低。R.M. Mihàlyi[30]等人制備了Si/Fe=19.2的[Fe]-MCM-22分子篩，Mossbauer圖譜表明，F(xiàn)e3+存在于高度扭曲的四面體配體中，其數(shù)量與B酸位的濃度非常符合；通過氧原子作用骨架中 Fe2+生成，骨架鐵的氧化還原性與在12元環(huán)孔道和10元環(huán)孔道中產(chǎn)生的高濃度羥基窩有關。

晶置換改性后，分子篩骨架中引入了特定的雜原子，可以調變分子篩的酸性及孔徑，從而改變分子篩的氧化還原性及其催化活性或其它功能。

2.4 酸堿處理及水蒸氣處理

酸堿處理及水蒸氣處理改性分子篩，不僅使分子篩發(fā)生脫鋁，改變分子篩中的硅鋁比，同時還發(fā)生結構重排，從而達到了改性的目的。

Arjen van Miltenburg[31]等利用核磁共振研究了經(jīng)堿處理及水蒸汽處理后MCM-22分子篩的結構變化，研究表明堿處理后硅元素從骨架中脫除，檢測到Si-OH集團形成，而鋁未受到影響；水蒸汽處理導致骨架鋁的脫除，得到更高的硅鋁比。Jianchao Xia[32]等利用水蒸汽(S)和草酸(O)/檸檬酸(C)處理MCM-22，得到脫鋁分子篩，經(jīng)過草酸處理的分子篩有最低的鋁含量，經(jīng)處理后的分子篩骨架外鋁含量變化量順序為MCM-22O

3 展 望

本文綜述了分子篩浸漬法、離子交換法、雜原子同晶置換法、酸堿處理、水熱處理改性分子篩的原理和方法。不同的改性方法得到的改性MCM-22分子篩，在不同的催化體系中可得到高催化性能及高反應選擇性。目前針對MCM-22分子篩的改性研究還在繼續(xù)，還需進一步研究與探討某些問題。

(1)為提高MCM-22分子篩的穩(wěn)定性及結晶度，須尋找更為合理的制備方法。

(2)進一步探索和完善MCM-22分子篩改性的方法及機理，將其應用在不同的反應體系中，擴大其使用范圍。

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