硅锗超大孔分子筛的合成与改性及其催化应用研究进展

田勇 ,  袁德林 ,  张瑞梅 ,  田大勇 ,  李文

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 74 -77.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 74-77. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.014
技术进展

硅锗超大孔分子筛的合成与改性及其催化应用研究进展

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Research progress on synthesis,modification,and catalytic application of extra-large porous germanosilicate zeolites

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摘要

详细介绍了硅锗分子筛作为一种关键多孔材料的核心特性与应用价值,重点聚焦于锗元素在分子筛骨架中的独特作用。深入分析锗的易水解特性如何被转化为优势,例如UTL型硅锗分子筛可利用选择性脱锗机制,通过ADOR(组装-分解-重整-再组装)或逆Sigma转化方法,在温和或极端条件下(如不同pH和温度)脱除富锗d4r单元形成层状前驱体,进而重构为新型高硅拓扑结构如IPC-n系列或OKO型分子筛,这一过程充分展示了锗位点的有序性如何实现缺陷可控和结构精准调控。同时,还细致分析了硅锗分子筛在催化应用中的表现,包括通过脱锗补硅提升水热稳定性、引入Ti或Sn等活性位点以增强酸催化性能,并在反应如糠醛的Meerwein-Ponndorf-Verley转化或蔗糖制羟甲基糠醛中显示出优异的选择性和效率,突显了非典型锗活性位点的潜力。尽管锗分子筛面临水热稳定性差、锗源成本高及ADOR方法适用范围有限(仅适用于UTL、UOV等特定骨架)的挑战,但通过拓扑转变技术已成功衍生多种新结构,为分子筛设计开辟了新路径,未来需深入探究锗的成核机制和晶化行为,以开发更普适的重构策略并拓展其在多功能催化剂中的应用前景。

Abstract

The core properties and application value of germanosilicate zeolites as a key porous material are introduced,with a focus on the unique role of germanium in the zeolite framework.It delves into how the easy hydrolysis characteristics of germanium can be transformed into an advantage.For example,through utilizing selective germanium removal mechanism via ADOR (assembly-disassembly-organization-reassembly) or reverse Sigma transformation methods,UTL-type germanosilicate zeolites can get rid of d4r units under mild or extreme conditions (such as different pH values and temperatures) to form layered precursors that are further reconstructed into novel high-silicon topological structures such as IPC-n series or OKO-type zeolites.This process demonstrates fully how the ordered germanium sites enable to achieve controlled defects and precise structural regulation.The account also analyzes meticulously the performance of germanosilicate zeolites in catalytic applications,such as enhancing hydrothermal stability by silicon replacement via germanium removal,adding active sites such as Ti or Sn to improve acid catalysis performance,and showcasing excellent selectivity and efficiency in reactions like the Meerwein-Ponndorf-Verley transformation of furfural or the conversion of sucrose to hydroxymethylfurfural.These reactions highlight the potential of non-typical germanium active sites.Despite challenges such as poor hydrothermal stability,high germanium source cost,and limited applicability of ADOR method (only suitable for specific frameworks like UTL and UOV),various new structures have been successfully derived through topological transformation techniques.This has opened new pathways for zeolite design.Further investigation into the nucleation mechanism and crystallization behavior of germanium is required to develop more universal reconstruction strategies and expand its application potential in multifunctional catalysts.

Graphical abstract

关键词

硅锗分子筛 / 催化应用 / 改性技术 / 合成技术 / 超大孔

Key words

germanosilicate molecular sieves / catalytic application / modification technology / synthetic technology / extra-large pores

Author summay

田勇(1969-),男,本科,高级工程师,研究方向为高分子材料的合成与应用,

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田勇,袁德林,张瑞梅,田大勇,李文. 硅锗超大孔分子筛的合成与改性及其催化应用研究进展[J]. , 2025, 45(S2): 74-77 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.014

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分子筛是重要的多孔硅铝晶体,在工业催化、吸附以及分离等领域有着广泛的应用。制备具有新型拓扑结构的分子筛对拓展分子筛的应用及深入探究催化反应机理具有重要意义。其中,在分子筛骨架中掺杂锗元素促使了超过30种新型分子筛的成功合成。Ge—O—Ge或Ge—O—Si键的键角比Si—O—Si小15°,可以起到稳定双四元环(d4r)或双三元环(d3r)等二级结构单元,从而降低骨架张力的作用[1]。因此,由于较大的结构张力,在纯硅的分子筛骨架中一般不存在这些结构单元。在成核阶段,锗物种对d4r和d3r的结构导向作用对分子筛的晶化至关重要[1]。在分子筛骨架中引入锗元素是制备新型分子筛的有效途径之一。
Ge—O—Ge和Ge—O—Si键对水分子较为敏感,研究表明,脱除模板剂后硅锗系列分子筛置于空气中一段时间都会发生不同程度的水解,骨架锗含量越高,水解程度越高[2]。虽然这会降低分子筛的水热稳定性,但是也为对分子筛进行选择性化学改性提供了可能。硅锗分子筛骨架结构中的锗原子倾向于占据d4r结构单元的T位置[3]。大多数硅锗分子筛的结构可以看作是由富锗的d4r结构单元连接富硅硅酸盐层组成。利用锗原子倾向于占据d4r结构单元且可以被优先脱除的特点,采用适当的后改性方法可以选择性破坏甚至完全脱除富锗的d4r结构单元,剩余未被破坏的富硅层状结构则可以经过层间膨胀、柱状填充或缩合反应等方式重新链接,从而达到选择性脱除骨架中的锗、提高分子筛的比表面积,甚至转变分子筛拓扑结构的目的[4]。在其层间插入具有其他催化活性的材料(如金属原子、金属氧化物等),也可用于制备多功能复合催化剂[5]。此外,对常规分子筛进行二次改性产生骨架缺陷的位置是随机和无序的。由于富锗分子筛中锗倾向于占据分子筛骨架中d4r结构单元,因此选择性脱除骨架锗产生的骨架缺陷的位置是有序的。缺陷不仅是理解分子筛本征结构的关键一环,也是用于构筑多级孔分子筛的秘密武器。利用锗在分子筛骨架中易被脱除产生空位的特点,在后处理改性中可引入其他具有不同活性的元素填补这些空位,可以在特定的位置引入具有催化活性的活性位点,调变分子筛的化学组成,扩展分子筛的催化应用。

1 硅锗分子筛的合成

近年来,国内外研究者陆续报道了富锗分子筛的合成、改性以及对富锗分子筛的结构修饰研究。新型分子筛的合成,尤其是制备含有大孔或者超大孔分子筛,一般需要使用有机大分子为结构导向剂[6]。因此,设计合成模板剂是合成新型分子筛过程中挑战之一。多环季铵盐大分子是制备大孔或超大孔分子筛常用的结构导向剂。这些复杂大分子大多需要在实验室采用多步骤反应进行合成。此外,具有适宜结构的多环天然产物的结构也常作为分子筛晶化的模板剂,结合锗的导向作用,可以制备新型分子筛。酮类、蒎烯、季铵盐金雀花碱等天然产物分子可以用于制备中孔和大孔分子筛,如ITQ-21[7],这些分子筛最大孔径基本在14元环以下。中草药,如槐属生物碱也作为模板剂合成超大孔SYSU-3(24×8×8)硅锗分子筛[8]。引入锗元素进入分子筛的骨架是开发新型分子筛的重要手段。晶化过程中,锗物种对双四元环和双三元环等较小的二次结构单元的定向导向作用,使很多含锗分子筛都具有本征的大孔或超大孔结构,在催化应用中具有降低扩散限制、转化大分子反应物等优势。除了季铵盐模板剂,锍类化合物(如四丁基锍、三苯基锍、三对甲苯基锍等)为模板剂,ISV、ITT以及一种新硅锗分子筛被成功合成[9]

2 硅锗分子筛的改性

硅锗分子筛的改性主要是基于分子筛骨架中Ge—O易于水解且位于特定的双四元环次级结构单元的特点。硅锗系列分子筛中的富锗结构单元可以在较宽pH范围和不同温度下被部分或完全脱除。在高浓度强酸溶液和高温条件的后改性条件下可以成功使UTL型分子筛转化成具有新型OKO拓扑结构的高硅COK-14分子筛[10]。UTL型分子筛在酸处理过程中双四元环结构中的锗被完全脱除进而转变成为层状过渡态中间体,而剩余的层状过渡态中间体经简单的水洗步骤发生有序自组装形成 —COK-14(图1)。—COK-14的层状结构没有通过Si-s4r完全链接,而是以硅羟基之间的氢键相连。—COK-14与COK-14可以相互转化,—COK-14经高温焙烧后硅羟基之间发生缩合脱水反应转化成为COK-14分子筛,COK-14分子筛暴露在空气中一段时间又会重新水解成为—COK-14[10-11]。采用同晶取代的方法可以有效抑制COK-14分子筛自发水解[11]
利用UTL型分子筛可以被轻易地分解成为层状前驱体的特性,采用组装-分解-重整-再组装(assembly-disassembly-organization-reassembly,ADOR)方法使UTL型分子筛在相对温和的后处理改性条件下,如弱酸或中性条件、室温等,转变成了几种新型高硅分子筛IPC-n系列(n=2、4、9、10)(图1)以及这4种分子筛组成的混晶材料(n=6、7)[12]。还可以使用有机阳离子使IPC-1P层状前驱体沿着晶胞b或者c方向发生1/2晶胞常数的相对位移,然后经过直接缩合反应或者插入Si-s4r后再经缩合反应可以得到2种新型UTL型分子筛衍生物IPC-9和IPC-10[13]。ADOR方法中的层状固体中间产物经直接焙烧后的产物结晶度较低,采用有机硅源或者有机溶剂使前驱体重排到合适的相对位置后再进行缩合反应才可得到具有高结晶度的分子筛。逆西格玛转换(inverse sigma transformation)方法采用极低的pH、高温条件和较低的固液比促使UTL型分子筛直接转变成OKO型分子筛[10],而ADOR方法则采用弱酸性溶液、较低温度和较高的固液比使UTL型分子筛中的Si—O—Ge键水解得到层状固体中间产物,然后经二次后处理使层状中间体以不同的层间链接方式重新组装成新分子筛。Zhang等[14]指出水在UTL型硅锗分子筛的结构转变中起了决定性作用,但是没有阐明其与脱锗过程的作用机制。2种方法都是选择性脱除富锗的d4r结构单元,进而形成类似的层状中间体,转化后的分子筛层间链接方式(—d4r—,—s4r—或—O—)和后处理使用的pH密切相关。
近年来,陆续有文献报道其他硅锗分子筛的改性和结构调控研究。UOV型分子筛发生拓扑结构转变制备新型分子筛IPC-12[15]。与UTL型分子筛改性发生拓扑结构转变生成多种新分子筛不同,UOV型分子筛在不同强度的酸性溶液和后改性条件,以及无论是否采用有机硅源或者溶剂的条件下均转换成为IPC-12分子筛。IWV分子筛具有和UTL分子筛类似的结构,由富锗双四元环链接富硅层状结构形成三维的孔道体系,采用NH4F改性IWV分子筛可以实现拓扑结构的转变,ECNU-31和ECNU-32被成功合成[16]。Yue等[17]研究不同酸浓度、时间乙醇/水溶液等参数对IWV分子筛ADOR改性的影响,将其转变为新型IPC-20分子筛。Lu等[18]报道富锗的IWW型分子筛在水溶液中和室温条件下可以完全脱除d4r,转变成新型纯硅IPC-18分子筛,其母分子筛的骨架锗含量对能否成功实现拓扑结构的转变至关重要。在酸性溶液中高温条件下,IWW型分子筛的骨架锗被完全脱除后可以保留IWW晶相,甚至在其d4r结构单元中平均含有高达4.5个锗原子时,脱锗后其结构依然完好,未见层状分子筛前驱体或新的晶相生成[19]。CIT-13(*CTH)在碱性溶液中可以脱除d4r转变为新型高硅单晶ECNU-21分子筛,新生成的ECNU-21分子筛在环氧乙烷制乙二醇反应具有优异的催化活性[20]。Yue等[21]报道了通过优化IWR分子筛的硅锗比和硼的含量,使其能够经过ADOR改性转变成新型IPC-17分子筛。这证实硅锗分子筛的化学组成是能否实现ADOR转变的关键因素之一。
目前,除UTL、UOV、IWW、IWV、IWR以及 *CTH型分子筛可以通过上述方法实现骨架转变之外,其他的硅锗分子筛(如BEC、UWY、ITR、ITH)在后改性后仅发生骨架锗脱除,未见过渡态二维层状前驱体,改性后母分子筛结构不变或结构坍塌[22]。虽然ITH、IWR和ITR型分子筛均可以完全水解使d4r结构被破环生成过渡态层状结构,但是这些类似于UTL的层状前驱体都无一例外地无法再次组装形成新分子筛。Veselý等[12]报道可以用“逆向ADOR”在UTL型分子筛的二维层状前驱体的层间重新组装纯硅的d4r结构单元,从而得到纯硅UTL型大孔分子筛。到目前为止,依托于消除或重新构建硅锗分子筛中d4r结构单元实现骨架结构转变的成功案例主要是基于UTL、UOV、IWW、IWV以及 *CTH型分子筛。尤其值得注意的是,UTL型分子筛可以转变成多达近10种新型分子筛结构,而UOV、IWW以及*CTH型分子筛在各种反应条件下发生拓扑结构转变的产物都是唯一的。值得注意的是,这些都含有d4r结构单元且具有类似的拓扑结构的硅锗分子筛在相似的后处理条件下表现出不同的性质。

3 硅锗分子筛的催化应用

二氧化锗是常用的合成硅锗分子筛的锗源,价格高,而且硅锗分子筛的水热稳定性较低,这些缺陷限制了硅锗分子筛的工业应用。近期,Zhang等[23]报道通过旋转蒸发脱锗过程产生的废液,实现锗源回收,并用回收的锗源成功合成多种硅锗分子筛,实现了锗源的循环利用。脱锗补硅能够有效提升硅锗分子筛的水热稳定性,并保留原始硅锗分子筛的拓扑结构和大孔孔道体系。硅锗分子筛缺失的Lewis酸催化活性位点也是其催化应用的阻碍之一。使用同晶取代等方法在硅锗分子筛中引入酸催化活性位,如Ti、B、Fe、Al、In、Ga、Sn、Zr等元素,可以赋予硅锗分子筛催化活性。目前,硅锗分子筛在众多催化转化反应中表现出较好的催化性能。
Zhao等[24]报道采用一种简单的哌啶衍生大分子为模板剂合成了具有大孔不连续结构的-IRT硅锗分子筛前驱体,经过酸洗和模板剂辅助的重结晶处理后,可以制备超大孔的高硅-IRT-HS,在催化裂解反应中含Al的-IRT-HS分子筛表现出比传统β-分子筛高30.4%的初始转化率。Zhang等[25]通过多步骤酸处理脱锗和引入杂元素的方法,用Sn和Zr等取代大部分UTL和*CTH型分子筛中的骨架锗,在糠醛的Meerwein-Ponndorf-Verley(MPV)反应中,Sn-UTL的质量转化率优于Sn-β分子筛。Rani等[26]合成一系列具有不同酸催化活性位点的IWW分子筛(Ge、Al、Sn、Zr),并用于蔗糖转化羟甲基糠醛(HMF)反应。值得注意的是含锗的IWW分子筛对HMF的选择性均高于Al-、Sn-、Zr-IWW分子筛。该研究表明非典型的锗活性位点也可以在特定的催化反应中展现良好的应用前景。Qu等[27]采用简单的研磨法在SCM-14表面均匀分散Ni纳米颗粒,该Ni-SCM-14分子筛催化剂在羟甲基糠醛水解为2,5-二甲基呋喃反应中具有高达90%的产率,8轮循环测试后依然具有较高的活性和稳定性。Jiao等[28]通过转晶法合成了含铝的硅锗分子筛IWV,得益于骨架锗和非骨架铝的协同作用,在Baeyer-Villiger反应中,与常规硅锗IWV分子筛和Sn-beta分子筛相比,含铝IWV分子筛显示出更高的催化活性和稳定性。Hou等[29]使用烷基咪唑类阳离子为模板剂制备了ITT硅锗分子筛,与BEC硅锗分子筛相比,ITT分子筛良好的Lewis酸性使其在对2-金刚烷酮的Baeyer-Villiger重排反应中具有更高的乳酸选择性。

4 总结与展望

硅锗分子筛化学对分子筛研究领域的影响显而易见。由于锗原子对d3r和d4r结构单元的稳定作用,小环结构单元与大孔分子筛直接相关,因此引入锗原子可以合成超过14元环的大孔分子筛。分子筛骨架中,锗原子取代硅原子具有极强的取向性,即锗原子更倾向于占据d4r或者d3r这些结构单元的T位置。这在其他杂原子(如Al)取代分子筛中并不常见,而这些杂原子通常决定分子筛的催化活性。硅锗分子筛中的锗易于脱出分子筛骨架,尤其是在湿润的条件下,大多数硅锗分子筛面临着结构坍塌的问题,这严重制约其应用。但是利用该性质可以采用ADOR方法实现拓扑结构转变,制备热力学上难以直接合成的新型分子筛。在硅锗分子筛领域依然有众多科学问题尚未解决。如锗在分子筛晶化过程的影响机制,在成核阶段锗源的存在形式都尚未明确。此外,新型分子筛结构的合成依然是分子筛研究领域的难点和重点,硅锗分子筛是该研究方向的突破点之一。将ADOR方法拓展到更多的硅锗分子筛需要更多更深入的研究。

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