国家科学评论合理设计分级沸石以获得更好的扩散催化剂效率

　　由于具有多种晶体拓扑结构、可调节的化学成分、高（水）热稳定性和可控的表面酸碱度，沸石广泛应用于石油炼制、石化制造、精细化工合成、生物医学、环境化学等领域。在沸石催化的反应中，所涉及的反应物质的分子直径通常大于沸石的孔径。这导致本体相和催化剂的活性中心之间产生不希望的扩散阻力，从而显著降低催化剂效率。
　　减轻沸石基催化剂的扩散阻力和提高催化剂效率一直是学术界和工业界最关心的问题之一。在过去的几十年里，将分级微/介孔结构整合到沸石中以获得更好的扩散和催化剂效率的工具得到了极大的丰富。然而，在实际的工业催化过程中，沸石组分即使含有分级多孔结构，也只是多组分工业催化剂的组分之一。沸石基工业催化剂本质上是由微孔沸石和大孔非沸石组分组成的分级结构。当分级多孔结构被整合时，催化剂还具有微/中孔/大孔三峰分级结构。显然，工业沸石基催化剂的分级孔结构存在于＂沸石组分内部＂和＂工业催化剂组分之间＂两个层次。
　　在位于北京的《国家科学评论》上发表的一篇新评论论文中，中国青岛石油大学（彭鹏、严子峰）和中国北京石油公司（Xiong-Hou Gao）的科学家和法国卡昂的法国国家科学研究中心 (CNRS) (Svetlana Mintova) 从催化反应工程的角度分析了分层微/介孔结构合理设计的最新技术。
　　从催化反应工程的角度来看，评价催化剂效率的量化指标是催化剂有效性因子（η）和蒂勒模量（φ）。如果催化剂体系具有很强的扩散阻力（η<0.25），则η是φ的倒数，因此η增大意味着φ减小。根据 φ 的定义，可以通过增加有效扩散系数 (Deff) 或缩短扩散路径 (L) 来提高 η。基于此，分级沸石中的介孔结构可分为三种类型：（1）＂功能介孔＂（增加有效扩散系数，Deff）；(2)＂辅助介孔＂（缩短扩散路径，L）；(3)＂综合介孔＂（同时增加Deff和缩短L）。对于分级沸石材料，优异的孔连通性可以保证形成在微孔活性位点上的产物快速扩散和解吸，从而避免失活。对于像流化催化裂化（FCC）这样的级联反应网络，精心设计的分级多孔结构可以保证微孔和介孔之间的互连，这对于FCC过程中的反应中继非常重要。
　　具有分级多孔结构的沸石只是真正工业催化剂的成分之一。为了满足工业催化过程中机械强度、水热稳定性、抗中毒和抗焦化的要求，工业催化剂需要添加其他非沸石组分。虽然工业催化剂组分之间的相互作用机制尚不完全清楚，但沸石和非沸石组分之间多孔结构的非理想匹配会导致分级孔沸石组分的性能降低。工业催化剂中分级沸石和其他非沸石组分的孔互连性的协调是分级沸石工业应用之前需要解决的紧迫问题。
　　制备分级多孔材料的最终目标是通过控制分级孔结构、不同组分的位置和互连性，在工业规模上充分释放其潜力，这些对提高其催化效率起着关键作用。开发组合的原位或操作光谱、显微或衍射技术是解开作为工业催化剂组分的分级沸石的构效关系的关键。