沸石分子筛的催化机理

分子筛泛指具有均一微孔而能选择性地吸附直径小于其孔径的分子的一类吸附剂。如沸石分子筛、碳分子筛、微孔玻璃分子筛等。常用的沸石分子筛，系结晶硅铝酸盐，其化学通式为〔M2(Ⅰ )·M(Ⅱ)〕O·Al2O3·nSiO2·mH2O，其中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为1价和2价金属离子，n为硅铝比，m为结晶水分子数。有A型、X型、Y型等型号，孔径在3～10之间。沸石分子筛具有内表面很大的孔穴，可吸附和储存大量分子，故吸附容量大；孔径大小整齐均一，又是一种离子型吸附剂，吸附选择性强；在较高温度和较低分压下对一些极性分子仍能保持较强的吸附能力。广泛应用于干燥、分离等。沸石分子筛是一种无机晶体材料，因具有规整的孔道结构、较强的酸性和高的水热稳定性而广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域中，并起着不可替代的作用。

结构

沸石分子筛是一族结晶性硅铝酸盐的总称。沸石基本的结构是由(SiO4)四面体和(AlO4)四面体。相邻的四面体由氧桥连结成环，环有大有小，按成环的氧原子数划分，有四元氧环，五元氧环，六元氧环，八元氧环，十元氧环和十二元氧环；环是分子筛的通道孔口，对通过的分子筛起筛分作用。氧环通过氧桥相互连结，形成具有三维空间的多面体。多面体有中空的笼，笼是分子筛结构的重要特征。空洞中含有结晶水和阳离子，这些阳离子用来中和(AlO4)四面体的负电荷，利用加热或减压的办法，可以比较容易地脱除一部分或全部结晶水。

催化机理

沸石分子筛在各种不同的酸性催化反应中，能够提供很高的活性和不寻常的选择性，且绝大多数反应是由分子筛的酸性引起的，酸度及其酸强度分布是分子筛的重要参数。研究表明，分子筛中B 酸来源于骨架四面体铝，而L 酸主要来源于非骨架六面体铝，所以分子筛中Al 的含量及其分布与分子筛的表面酸性物质密切相关，故可采用分子筛的脱铝和补铝等二次水热处理，得到理想的硅铝比的分子筛。此外，分子筛的酸性还受取代金属离子影响，由于多价金属离子的水解作用，导致催化剂表面酸中心重新分布。

1. 筛分效应

包括反应物择形和产物择形。反应物的择形催化在炼油工业中已获得多方面的应用，油品的分子筛脱蜡，重油加氢裂化等都是。产物择形在改变产品分布、提高目的产物效率上有显著效果，但也存在有害的一面，这些未扩散出来的大分子，或者异构成线度较小的异构体扩散出来，或者裂解成较小的分子，乃至不

断裂解、脱氢，以炭的形式沉积于孔内和孔口，导致催化剂的失活。

2. 库伦场效应

晶体内表面的离子特性和沸石与吸附物分子之间的静电场作用强度取决于沸石的硅铝比以及交换的阳离子。纳交换型低硅铝比沸石具有一个强静电场，而高硅铝比的氢型沸石则没有。

3. 构型扩散

发生在催化剂的结构尺寸接近分子大小的情况下。在这种扩散方式下，分子大小的一个微小变化都引起其扩散系数显著改变。

4. 空间适应性或过滤态选择性

有些反应，只是由于需要内径或笼腔有较大的空间，才能形成相应的过渡状态，不然就受到限制，使该反应无法进行。ZSM-5催化剂用于这种过渡态选择性的催化反应。

5. 穿行控制

一些沸石(HZSM-5 分子筛)具有不同孔道尺寸的交叉孔道。由于小孔道只能通过小分子，而大孔道可通过大的和小的分子。