沸石具有大的比表面积、发达的孔道结构、可调变的表面性质、强的酸性、高的热稳定性和水热稳定性,作为吸附剂、催化剂或催化剂载体,被广泛应用于催化、吸附分离、离子交换等领域。然而由于其本身有限的孔径尺寸及较低的表面活性位可利用率,限制了大分子在其中的吸附与扩散,因此限制了其在催化、转化等方面的应用。尤其是在石油资源日益短缺、重质油资源包括油砂沥青等的利用日益受到重视的今天,开发新的重质油裂解大孔分子筛类催化剂是未来重油和油砂沥青资源充分利用的关键之一。随着分子筛催化技术的不断发展,人们对分子筛催化剂的功能性提出了越来越高的要求。
多级孔分子筛的出现是分子筛发展过程中一个重要的里程碑。多级孔分子筛是指在沸石原有孔道的基础上,通过后处理、硬模板、软模板法引入额外大的介孔(或大孔)孔道结构,使其能够改善分子在分子筛晶粒中的扩散路径和扩散速率,提高分子筛表面活性位的有效利用率。多级孔分子筛在吸附或催化过程中,都表现出良好的效果。然而,此类多级孔分子筛仅仅是单一沸石组分,不能显示出硅(铝)酸盐之外的功能,并且介孔(或大孔)孔道的有序性、均一性难以控制。随着化学工业的发展,催化材料的功能性显得越来越重要,将具有不同功能的材料有机地组合在一个颗粒中,制备多功能的分子筛催化剂,越来越受到人们的青睐,是目前发展的重要趋势。近年来,具有核-壳结构的多孔纳米复合材料是倍受关注的一类新型的纳米复合材料 。
这类材料是以一种微纳米级别的颗粒为核,在其表面均匀地包裹一层或多层不同性质或组成的纳米壳层,形成纳米尺度下的有序组装,实现催化剂的多功能化。核与壳之间通过物理或者化学作用紧密相连,为分子的扩散提供有效的通道。这种特殊的结构可以产生单一纳米颗粒无法获得的多种优异性能,更重要的是,可以实现不同组分在空间均匀而有序的配置,最佳的有效组分利用率、空间取向、最高暴露量的活性位,为催化机理的研究提供最佳的模型;同时,也为催化过程提供设计的限域空间,为人们理解催化真实过程提供基础,因而受到了广泛关注。
首先,由于磁性铁核对微波的吸收性能,沸石微球在15s’内即可将胰蛋白酶消解。同时,铁核的磁性质也赋予了该复合材料优异的分离性能,在外加磁场的作用下,很容易实现吸附剂的分离,从而实现吸附剂的循环使用。磁性沸石微球的胰蛋白酶的吸附/消解性能在循环使用7次后仍无明显降低。核-壳结构的沸石分子筛复合材料在气体处理、分离、载药等领域势必会产生优异的性能。其次,核-壳结构复合材料可以得到更多的汽油组分,适用于重油大分子高效裂解制备汽油的反应中。再次,其应用于催化合成气制二甲醚反应,得到极高的二甲醚选择性,几乎没有烷烃类副产物生成,能够得到了非常高的低碳烯烃选择性。
总之,核-壳结构的沸石分子筛复合材料具有非常广阔的开发利用前景。核和壳可以分别进行功能化,赋予核-壳结构复合材料独特的性质,在实际使用中展现更优异的性能;在构建核-壳结构时,在核-壳之间形成新的界面,赋予核-壳结构复合材料新的性能;核-壳结构沸石分子筛复合材料可以为人们研究催化机理、理解催化过程提供很好的模型。