多級孔沸石分子篩是指含有不同孔尺寸(微孔/介孔、微孔/大孔以及微孔/介孔/大孔)的新型沸石分子篩。這種新型的多級孔沸石材料在保持傳統(tǒng)沸石催化活性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,通過不同的合成策略引入貫穿整個沸石骨架的較大尺寸的介孔/大孔結(jié)構(gòu),極大地改善了小尺寸微孔所帶來的擴散傳質(zhì)問題。在催化反應(yīng)的過程中,反應(yīng)物通過介孔/大孔孔道進入到沸石的內(nèi)部活性位點發(fā)生催化反應(yīng),得到的產(chǎn)物隨后通過介孔/大孔孔道輸送出來,從而有效抑制了積碳現(xiàn)象,減緩了催化劑的失活。總之,多級孔沸石催化劑的出現(xiàn),使得催化反應(yīng)的發(fā)生不再局限于催化劑表面,而是充分利用整個催化劑,這極大提高了催化反應(yīng)速率。更重要的是,也可以通過對多級孔沸石晶體的修飾改性,比如原位摻雜過渡金屬離子或者后期離子交換或者浸漬等負(fù)載一些金屬氧化物,進一步拓展多級孔沸石的應(yīng)用領(lǐng)域。
沸石由于特殊的離子交換性,豐富的酸性位以及較高的水熱穩(wěn)定性,因此被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)催化和分離吸附等領(lǐng)域。但是由于其較小的微孔尺寸(<1.5nm),在一些大分子參與的催化反應(yīng)中受到極大的限制。多級孔沸石在保留傳統(tǒng)沸石晶化骨架、酸性位以及高水熱穩(wěn)定性的同時引入了多級孔結(jié)構(gòu),可極大改善分子的擴散和傳質(zhì),減少積碳,延長催化劑的使用壽命,使其在催化領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用。
早期合成介孔沸石的方法主要是通過對沸石后處理在微孔分子篩中造介孔,根據(jù)制造介孔所用的方法不同,可以分為脫鋁法、脫硅法和熱處理法。硬模板主要是指模板在合成凝膠中不與體系中的硅源或者鋁源作用,僅僅是占據(jù)空間。晶化后的樣品在焙燒或者使用其它處理方法除去介孔模板,就可以得到介孔孔道。硬模板主要包括碳材料模板和無機納米粒子模板。
由于碳模板的疏水性以及其和無機前驅(qū)體較弱的作用力,碳材料作為硬模板的合成方法一般都相對復(fù)雜。因此,有些研究人員開發(fā)了用軟模板一步水熱過程合成介孔沸石分子篩的方法,極大的簡化介孔沸石合成步驟。另外,軟模板更有利于均勻分散到整個體系中。選擇合適的軟模板,使其與無機前驅(qū)體作用力增強,將有利于其模板作用的發(fā)揮。軟模板法主要是指模板在合成凝膠中與體系中的硅源或者鋁源相互作用并形成介孔。常見的軟模板包括聚合物和有機硅烷等。
介孔沸石集中微孔、介孔分子篩材料的優(yōu)點,除了擁有介孔以外,其介孔水熱穩(wěn)定性和酸性也得到了改進。雖然合成介孔沸石的方法很多,但仍有很多不足之處。例如有時介孔沸石介孔孔徑太大,導(dǎo)致其對小分子催化反應(yīng)或吸附性能的擇形選擇性降低;有些模板劑比較昂貴或合成步驟比較多等。因此,新結(jié)構(gòu)、新功能的介孔沸石材料的研究將繼續(xù)發(fā)展下去,期待著它們在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。