分子筛（人工合成的天然沸石）

简介

自然界中存在一种天然硅铝酸盐，它们具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用。这种天然物质称为沸石，人工合成的沸石也称为分子筛。

由于AlO4四面体具有一个负电荷，可以结合钠等离子，成为电中性。在水溶液中，Na 很容易与其他阳离子交换。大多数分子筛催化剂是多价金属阳离子或H的交换物，分子筛具有酸性和对分子大小的选择性，可以作为催化剂或载体使用。高二氧化硅沸石对有机基团表现出很高的亲和力，相比之下，低二氧化硅沸石由于具有Lewis和Bronsted酸特性而表现出亲水性。硅及

具有十二元氧环的有Y型分子筛 (x= 3.1～6.0)和丝光沸石(x=9～11)。前者可用做裂化催化剂、双功能催化剂，后者可用作甲苯的歧化催化剂。

十元氧环的有ZSM-5、ZSM-11等部分 ZSM系列分子筛。

八元氧环的有A型分子筛(x=2)、T型分子筛及ZSM-34等。它们的孔很小，只有直链烃才能进入到细孔中。以分子筛为催化活性组分或主要活性组分的催化剂称为分子筛催化剂。分子筛具有离子交换性能、均一的分子大小的孔道、优异的酸催化活性、并有良好的热稳定性和水热稳定性。可制成对许多反应有高活性、高选择性的催化剂。

分类

按催化性质，分子筛催化剂可以分为以下几点：

(1) 酸催化剂，利用分子筛的表面酸性进行催化反应。

(2)双功能催化剂，分子筛可以负载铂、钯类的金属，得到兼有金属催化功能和酸催化功能的双功能分子筛催化剂。

(3) 择形催化剂，由于分子筛的催化作用一般发生在晶体内空间，分子筛的孔径大小和孔道结构对催化活性和选择性有很大的影响。分子筛具有规整而均匀的晶内孔道，而且孔径大小接近于分子尺寸，使分子筛的催化性能随反应物分子、产物分子或反应中间物的几何尺寸的变化而显著变化。

沸石分子筛的性能

沸石分子筛的吸附是一种物理变化过程。产生吸附的原因主要是分子引力作用在固体表面产生的一种“表面力”，当流体流过时，流体中的一些分子由于做不规则运动而碰撞到吸附剂表面，在表面产生分子浓聚，使流体中的这种分子数目减少，达到分离、清除的目的。

由于吸附不发生化学变化，只要设法将浓聚在表面的分子赶跑，沸石分子筛就又具有吸附能力，这一过程是吸附的逆过程，叫解析或再生。

由于沸石分子筛孔径均匀，只有当分子动力学直径小于沸石分子筛孔径时才能很容易进入晶穴内部而被吸附，所以沸石分子筛对于气体和液体分子就犹如筛子一样，根据分子的大小来决定是否被吸附。

由于沸石分子筛晶穴内还有着较强的极性，能与含极性基团的分子在沸石分子筛表面发生强的作用，或是通过诱导使可极化的分子极化从而产生强吸附。

这种极性或易极化的分子易被极性沸石分子筛吸附的特性体现出沸石分子筛的又一种吸附选择性。

通常所说的离子交换是指沸石分子筛骨架外的补偿阳离子的交换。沸石分子筛骨架外的补偿离子一般是质子和碱金属或碱土金属，它们很容易在金属盐的水溶液中被离子交换成各种价态的金属离子型沸石分子筛。

离子在一定的条件下，如水溶液或受较高温度时比较容易迁移。在水溶液中，由于沸石分子筛对离子选择性的不同，则可表现出不同的离子交换性质。金属阳离子与沸石分子筛的水热离子交换反应是自由扩散过程。扩散速度制约着交换反应速度。

通过离子交换可以改变沸石分子筛孔径的大小，从而改变其性能，达到择形吸附分离混合物的目的。

沸石分子筛经离子交换后，阳离子的数目、大小和位置发生改变，如高价阳离子交换低价阳离子后使沸石分子筛中的阳离子数目减少，往往造成位置空缺使其孔径变大；而半径较大的离子交换半径较小的离子后，则易使其孔穴受到一定的阻塞，使有效孔径有所减小。

沸石分子筛具有独特的规整晶体结构，其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道结构，并具有较大比表面积。

大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心，同时晶孔内有强大的库仑场起极化作用。这些特性使它成为性能优异的催化剂。

多相催化反应是在固体催化剂上进行的，催化活性与催化剂的晶孔大小有关。沸石分子筛作为催化剂或催化剂载体时，催化反应的进行受到沸石分子筛晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形状都可以对催化反应起着选择性作用。在一般反应条件下沸石分子筛对反应方向起主导作用，呈现了择形催化性能，这一性能使沸石分子筛作为催化新材料具有强大生命力。

沸石分子筛的应用

（1）脱水。利用低硅铝比的沸石分子筛（如 A型，X型等）的极性亲水性，可以进行空气的干燥。另外近年来将乙醇掺入汽油中替代部分汽油受到广泛重视，作为燃料的乙醇要求其中的水含量低于 0.8%，而由于乙醇和水的共沸，使得通过精馏只能得到 95%的乙醇，对于含水量较低的乙醇脱水，沸石分子筛吸附脱水是最优的选择。

此方法中应用的沸石分子筛是A 或X型，而KA 型最好，这一方面利用了 A型沸石分子筛的极性，另一方面由于KA沸石分子筛的孔道直径约 0.3nm，水分子可自由进入，而乙醇分子直径大于 0.3nm 不能进入沸石分子筛的孔道。此种沸石分子筛脱水工艺是工业上生产燃料乙醇的首选工艺。

（2）净化空气中的污染物。随着工业的迅速发展，H2S、SO2、NOX以及甲醛的排放量日益增多，造成的污染给人们的生活和环境带来了严重的危害。

（1）混合二甲苯的分离。混合二甲苯一般用作溶剂和汽油掺合剂廉价出售，资源浪费十分严重。但混合二甲苯的四个异构体：乙苯、对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯都是重要的化工原料，因此有必要将其逐一分离。

混合二甲苯的分离方法很多，如精馏法、精密精馏法、加压结晶法、深冷结晶法等是传统的分离方法，但它们的共同缺点是能耗大、设备庞大、操作要求高。

吸附分离法是一种高效的分离方法，其关键是吸附剂的制备。由于沸石分子筛其结构的特殊性及种类的多样化，以沸石分子筛为吸附剂来分离混合二甲苯具有很好的应用前景

（2）N2/ O2的分离。在变压吸附（PSA）法中，沸石分子筛是利用N2/O2两气体在其表面平衡吸附的差异，选择性地吸附N2。因为 N2的极化率较大，从而 N2与沸石分子筛中的阳离子及其极性表面作用强于 O2。LiA 型沸石分子筛具有更高的 N2/O2选择比及 N2吸附容量，但热稳定性较差。于是，Li、碱土金属混合阳离子交换后的 A型沸石分子筛具有较高的 N2/O2选择分离系数、N2吸附容量和较高的热稳定性。另外低硅铝比的 X型沸石分子筛引起了人们的关注。人们对其进行了各种离子交换，其 N2/O2分离选择性较高且热稳定性较好。

（3）提高汽油辛烷值。由于异构烷烃的辛烷值大大高于正构烷烃，因此利用吸附分离法可以脱除正构烷烃。实际应用中一般将吸附分离与 C5/C6烷烃异构化相配合，将通过吸附分离出来的正构烷烃进行异构化，从而更大程度的提高汽油的辛烷值。A 型沸石分子筛中的钠离子被钙离子交换达 40%以上时，它的有效孔径可增大至 0.5nm，能满足此分离的要求，分离中烃类混合物通过吸附床层，正构烷烃由于分子外形尺寸小于沸石分子筛孔径尺寸可以自由进入其孔道中被吸附，异构烷烃的分子尺寸较大不能进入，则流出吸附床层为富含异构烷烃高辛烷值的物料。吸附床层吸附饱和后，用脱附剂将正构烷烃脱附送去异构化反应。

沸石分子筛具有复杂多变的结构和独特的孔道体系，是一种性能优良的催化剂。ZSM- 5 与Y型沸石分子筛共同作用应用于 FCC 反应，以获得较高产率的汽油、丙烯和丁烯。MCM- 22 沸石分子筛在烷基化反应上具有显著的优势，例如 MCM- 22 作为液相烷基化催化剂催化苯和乙烯反应制备乙苯，不仅提高了乙苯选择性，并且 MCM- 22 本身的稳定性高，用量少，可以在反应器中进行原位再生，而其它种类催化剂则必须从反应器中取出另行再生。在短链烷基取代芳烃的合成反应上，MCM- 56 有更好的活性，并且不容易失活。ZSM- 22 在许多工艺中用作催化剂，但主要是用于丁烯骨架异构和正庚烷异构化两个方面。

分子筛作为催化剂的主要应用见下表。

表1 主要分子筛催化剂举例

沸石分子筛的结构

沸石分子筛材料的广泛应用（例如：吸附分离、离子交换、催化），是与其结构特点密不可分的。例如，吸附分离性能取决于分子筛的孔道和孔体积的大小；离子交换性能取决于分子筛中阳离子的数目、位置及其孔道的可通行性；催化过程中表现出的择形性与分子筛的孔道尺寸、走向相关，而催化反应中的中间产物以及最后产品和分子筛的孔道维数或其笼结构相关。因此，分子筛的结构是研究分子筛材料的基本问题。

首先从最简单的基本结构单元进行研究。通常来讲，沸石分子筛都是一个个四面体通过共用顶点来堆积得到的，所以一个四面体就是一个初级的结构单元(TO4四面体)。例如：对于silicalite-1沸石分子筛来讲，它的初级结构单元是硅氧四面体（[Si O4]0），并且这个四面体结构单元呈现电中性，这些硅氧四面体通过共用氧原子的连接，形成了具有MFI结构的沸石分子筛。在合成中模板剂和吸附水是存在于它的孔道中的。当然，当在合成体系中有铝存在的条件下，则有两种四面体：硅氧四面体（[Si O4]0）和铝氧四面体（[Al O4]-），并且铝氧四面体是存在一个负电荷的，通过组装合成了硅铝的具有MFI结构的分子筛，由于这种结构本身带有一定的负电荷，因此必然要通过额外的阳离子来平衡，使其整体最终呈现电中性。而磷铝分子筛则是磷氧四面体（[PO4]+）和铝氧四面体（[Al O4]-）严格交替构成，骨架呈电中性。当然，在初级结构单元与初级结构单元的连接中，要遵守Lowenstein规则：在硅铝骨架结构中，铝与铝不能相邻；在磷酸盐骨架结构中，如SAPO-34，铝是不能和二价或者三价金属原子相邻、以及磷不能与硅或磷相连的。

分子筛的骨架结构由初级结构单元进行有限或者无限的连接后而形成的。有限的结构单元，如次级结构单元通常是指由TO4四面体通过共同使用定点的氧原子，从而按照不同的连接方式组成的多元环结构，比较常见的环结构如四元环、五元环、六元环、双四元环和双六元环。现在所发现的为18种次级结构单元。例如4-4次级结构单元，它所代表的的是两个四元环，即双四元环。正如我们所熟知的A型分子筛，它就是通过SOD笼与双四元环之间进行连接从而形成了沸石分子筛。当然我们所说的SBU只是在理论意义上的拓扑单元，是为了更好的理解和解释沸石分子筛的结构，不能这样就认为是沸石分子筛晶化过程的真实物种。

分子筛的骨架中存在一特征笼状结构单元，而笼状结构单元又是根据确定它们多面体的多元环来描述的。例如，我们所熟悉的SOD笼它由八个六元环和六个四元环来组成的，一般简写成4668。不同的分子筛骨架会含有相同的笼状结构单元，换句话说，同一个笼状结构单元通过不同连接方式会形成不同的分子筛骨架结构类型。一个经典的例子就是SOD笼。

SOD笼间通过本身的共面连接形成的是SOD沸石分子筛；SOD笼间通过双四元环的连接，形成的是LTA型分子筛；SOD笼间通过双六元环的连接，形成的是FAU和EMT沸石分子筛。

另外，在沸石分子筛骨架结构中，常会发现一些特征的链和二维三连接的网层结构以及周期性结构单元（PBU）。我们最为常见的五种链状结构为是Pentasil链、双锯齿形链、双之字形链、双机轴链和短柱石链。由边共享的笼所组成的Pentasil链是高硅沸石分子筛家族的一个特征链。最具有代表性的，MFI的骨架结构就是由Pentasil链构成。平行堆积的二维三连接网层通过上下取向的三连接顶点间相互连接形成三维四连接的骨架结构。例如，GIS类型骨架结构是由4.8二维网层结构上下连接而成。

沸石分子筛的合成机理

对于沸石分子筛的形成及其生长机理的深入研究有助于人们更好的设计合成新型沸石分子筛拓扑结构、扩展沸石分子筛材料合成新路线、开发沸石分子筛材料的新性质及新用途。尽管沸石分子筛的发展已经有许多年了，但是对于它的合成机理方面一直未有一个真正的定论。研究分子筛的晶化机理即具有十分重要的理论意义，也对合成新型的沸石分子筛合成具有实际的指导意义。目前最具有代表性的为固相转变机理（Solid hydrogel Transformation mechanism）、液相转变机理（Solution-mediated Transport mechanism）和双相转变机理这三种机理。

固相转变机理是由Flanigen和Breck首次提出的，也是最早提出的沸石分子筛晶化机理。他们认为:

在沸石分子筛的整个晶化过程中只是凝胶固相本身在水热条件下产生，然后直接进行硅铝酸盐骨架的结构重排，进而导致了沸石分子筛的成核和晶体的生长，而在沸石分子筛晶化过程中既没有凝胶固相的溶解，也并没有液相直接来参与沸石分子筛的成核以及晶体的生长。

首先，沸石分子筛合成所需的各种原料混合后，主要物种硅酸盐与铝酸盐聚合生成硅铝酸盐初始凝胶。同时，凝胶间液相虽然也产生，然而液相部分并不参与晶化成核的过程中。其次，所形成的硅铝酸盐初始凝胶在OH离子的作用下却不断发生解聚与结构重排，从而形成某些沸石晶化所需要的初级结构单元。最后，这些初级结构单元进一步围绕着水合阳离子发生重排构成多面体，这些多面体再进一步聚合、连接、形成沸石分子筛晶体。

70年代，荷兰科学家Mcnicol等人通过使用分子光谱技术来追踪LTA型沸石分子筛的整个晶化过程，从而在实验上为固相转变机理给予充分的根据。90年代，干胶转化的合成方法的提出也为固相转变机理增加了一个实例。另外，最近几年发展起来的固相无溶剂合成的方法的提出也是在一定程度上为固相转变机理提供相应的证据。

液相转变机理首先由Kerr和Ciric提出，与固相转变机理的提出几乎是在同一个时期。他们认为：沸石分子筛晶体的成核和生长是在溶液中直接进行，初始凝胶慢慢的溶解到溶液中，生成了活性物种硅铝酸根离子，然后再发生缩合，慢慢的形成了沸石分子筛所需要的结构单元，再进一步生成了沸石分子筛。

首先，沸石分子筛所需的原料混合后，主要物种硅酸盐与铝酸盐聚合生成硅铝酸盐初始凝胶。这种硅铝酸盐凝胶是在高浓度条件下快速形成的，因此具有很高无序度，但是这种硅铝酸盐凝胶中可能含有某些初级结构单元，如：四元环、六元环等等。同时，这种凝胶和液相之间建立了溶解平衡。另外，硅铝酸根离子的溶度积与凝胶的结构和温度息息相关，随着晶化温度的变化，这种凝胶和液相之间建立起新的凝胶和溶液的平衡。其次，液相中多硅酸根与铝酸根浓度的增加导致晶核的形成，然后是沸石分子筛晶体的生长。在沸石分子筛的成核和晶体生长过程中，消耗了液相中的多硅酸根与铝酸根离子，从而引起硅铝凝胶的继续溶解。由于沸石晶体的溶解度小于无定形凝胶的溶解度，最后结果是凝胶的完全溶解，沸石分子筛晶体的完全生长。

Zhdanov的实验表明，沸石分子筛晶体生长速度与液相中多硅酸根和铝酸根离子的浓度息息相关，并且晶化过程中液相各组分浓度是不断变化的，这些实验结果支持了液相转变机理。对液相转变机理最有利的证明是从液相中直接晶化沸石分子筛，Koizumi等人直接从澄清溶液中合成出了SOD，GIS、FAU等沸石分子筛。

在人们对于沸石分子筛晶化究竟是通过液相转变机理还是通过固相转变机理争执不清时，八十年代之后，又有科学家提出了双相转变的机理。双向转变机理认为液相转变和固相转变同时存在沸石分子筛晶化过程中，既可以分别发生在两种晶化反应体系中，也可以同时发生在一个体系中。

Gabelica等人从对ZSM-5分子筛以及Na Y沸石晶化的研究印证了双相转变机理的存在性。Iton等人首次在ZSM-5分子筛的晶化过程中应用小角中子散射技术进行研究，同时发现使用不同的硅源，ZSM-5沸石分子筛的晶化是遵循不同的机理进行。从而得出即使是同一种类型沸石分子筛，在不同的晶化条件下其生长的机理是不一样的结论。

沸石分子筛合成的影响因素

水热合成法是在沸石分子筛合成中最常用和最有效的途径，深入研究分子筛水热合成的主要困难是对分子筛的生成机理了解的还不够清楚。但是，对于沸石分子筛的合成来说无论哪种生成机理，其晶化过程都要经历相同的基本步骤：多硅酸盐与铝酸盐的再聚合、分子筛成核、核生长、分子筛晶体的生长以及引起的二次成核。为了很好的控制和调变沸石分子筛的合成反应，最重要的是研究反应的条件对合成反应的影响。根据多年的实践经验，下列影响因素在沸石分子筛的合成中占有很重要的地位，主要包括：反应物的组成、硅铝比、碱度、陈化、晶化温度与时间等等。研究这些因素对于合成沸石具有很重要的意义。

合成沸石分子筛的基本原料有：硅源、铝源、碱源、金属阳离子、其它矿化剂、模板剂和水等。常用的硅源有白炭黑、硅溶胶、固体硅胶、有机硅酸酯、水玻璃等。常用的铝源有偏铝酸钠、硫酸铝、薄水铝石、金属铝、硝酸铝、异丙醇铝、氢氧化铝等。碱源有氢氧化钠，氢氧化钾等。金属阳离子包括碱金属阳离子和碱土金属离子如：Li、Na、K、Ca、Ba等。分子筛合成的矿化剂有两种：氢氧根离子和氟离子。模板剂有各种含氮的有机物、季磷盐等。

初始凝胶的配比往往能够决定最终产物的类型。最初投料的反应物的不同会导致最后的生成物的完全不同，如，阳离子不同可以导致分子筛产物的不同，钠离子容易导向LTA、CAN、FAU、GIS等分子筛骨架的生成；而钾离子则容易导向LTL、CHA、ERI等类型的分子筛骨架。即使最初的反应物相同只是反应物含量有微少的差别也极有可能得到不同的物相，如碱度对分子筛合成体系的影响。另外当所有物料比例都相同，只是简单的使用不同的硅源也有可能导致分子筛晶体大小、形貌、甚至骨架类型的改变。当我们用相图来表述整个物料时，从中可以发现许多结构只能在一个特定的区域里得到。有时由于过于多的影响因素，只能选择一两个变量来作图。另外，投料时的加料顺序，人为操作对于分子筛的合成也是一个影响因素。

反应物的起始硅铝比对最终的反应产物有很大的影响，但是这两者又没有一定的对应关系。一般而言低硅铝比的LTA分子筛、SOD分子筛、FAU分子筛等都是从低的硅铝比和高的碱度的原始投料体系中晶化而得的。对于ZSM-5，Beta等这类高硅沸石往往都是从高的投料硅铝比以及低碱度的原始投料中获得的。通常而言，增加投料的硅铝比在一定范围里往往能增加产物的硅铝比，但是并不是所有分子筛都能通过调节原料硅铝比来合成高硅或低硅的产物，如高硅LTA分子筛、低硅ZSM-5分子筛等超出正常硅铝比范围的产物是很难合成的。另外，最终产物中得到的硅铝比往往低于原始投料的硅铝比，这是因为OH优先溶解硅物种，使铝物种几乎全部进入骨架，母液中留下的是可溶的多余的硅。

沸石合成大都是在碱性条件下合成的，最常见的碱是无机碱氢氧化钠。我们通常用Na2O/SiO2来表示体系的碱度。一般而言，碱度增加，硅铝原料的溶解度增加，硅铝酸盐聚合度降低，使溶液中的过饱和度增大，从而加快成核速度，结果缩短了诱导期，使之晶化速度加快。此外，增大碱度时会使最终产品的粒子变小并且粒径分布变窄，如在无模板条件下合成具有6nm最小尺寸的EMT沸石分子筛。另外当体系的碱度增大，有利于生成富铝的沸石。在无有机模板存在的条件下，通过让无机碱充当模板的作用来合成如Beta，RUB-13, ZSM-12，ZSM-23，MCM-68等沸石分子筛，这些沸石分子筛不仅是高度富铝的而且还是高度富有无机金属阳离子的。另一个沸石合成的条件是在含有氟离子的中性或酸性条件下来合成沸石分子筛，氟离子在分子筛合成中取代了碱的作用，来溶解硅铝酸盐凝胶。在氟体系下合成的纯硅分子筛缺陷较少，也更容易得到比较完美的大单晶。

从原料的均匀混合到升温晶化前的静止过程，这一个阶段被叫做陈化。在陈化过程中，凝胶的组成、结构都是会发生变化的，陈化过程有时甚至是缓慢的成核过程，导致分子筛生长周期的缩短。最为典型的例子是在合成FAU分子筛时使用的Y导向剂就需要所有反应物混合均匀后室温陈化，这是因为导向剂经过陈化产生了微小的沸石晶核，并且含有大量的六元环。

对于合成沸石分子筛，温度是一个很重要的因素。温度变化会影响水在反应釜中的压力的变化、硅铝酸盐的聚合状态和聚合反应、凝胶的生成和溶解与转变、分子筛的成核与生长以及介稳相间的转晶。相同的体系在不同的温度下可能会得到完全不一样的物相，温度越高得到的沸石的尺寸和孔体积越小，晶体骨架密度相应增大。一般而言在150 °C以下，初级结构往往是四元环或六元环，而当温度高于150 °C，则往往是五元环的初级结构单元。由此可见，在高温水热条件下，无机物（主要是硅铝酸盐物种）的造孔规律和晶化温度与水蒸汽压之间存在着密切的联系。

晶化时间往往也是分子筛合成的一个重要因素。晶化时间不够常常会有大量的原料未转化，时间过长，往往会发生晶体转晶的现象，一般由比较空旷的结构转化为比较致密的结构。晶化时间与晶化温度往往是相辅相成的，降低温度，就要增加晶化时间；升高温度，有时就要缩短晶化时间。

展望

近年来，沸石分子筛由于具有独特的性能，已经在吸附分离、催化等领域取得了广泛的应用。但是对某些沸石分子筛的性能优劣问题认识不够深入，有的甚至还很肤浅，为了更加有效地发挥沸石分子筛在吸附分离、催化领域应用的优势，要注意以下几个方面的工作：1）研制价格低廉的沸石分子筛，以降低生产成本为目的；2）研究沸石分子筛的合成及改性对结构、组成和性能的影响，寻找提高其吸附容量和选择性的方法；3）建立和完善评价吸附剂性能的定量指标，更好地为实际生产做出指导。