Crystallization of SAPO-5 and SAPO-34 molecular sieves with microwave and conventional electric heating of the same gel has been investigated in an alkaline condition using N,N,N’N’tetraethylethylenediamine as a template molecule. SAPO-5 structure can be selectively prepared with microwave heating because of the fast crystallization of the technique. On the other hand, SAPO-34 is the sole product with usual conventional electric heating because SAPO-5 can be gradually transformed into SAPO-34 structure with an increase in crystallization time. This phase selectivity is probably because of the relative stability of the two phases at the reaction conditions (kinetic effect). Crystallization with microwave heating can be suggested as a phase selective synthesis method for relatively unstable materials because of fast crystallization.
삼차원적 골격구조를 가지며 세공의 크기와 산성도가 유사한 SAPO-44, SAPO-34(CHA type), SAPO-17(ERI type), 그리고 1차원적 고격구조를 가진 ZSM-23(MTT type) 촉매재료를 합성하고, 메탄올 전환방응에 있어서의 촉매적 성능을 비교 검토하였다. 이들의 산성도 세기는 SAPO-44>SAPO-34>SAPO-17>ZSM-23 순으로 나타났다. 메탄올 전환반응을 비교한 결과, 삼차원적 골격구조를 가지고 있는 SAPO-34와 SAPO-44에서 높은 에티렌 선택성이 얻어졌으며, 특히 Ni을 골격내에 도입시켰을 때 그 선택율은 더욱 증가하였다. 반면에 1차원적 골격구조를 가지고 있는 ZSM-23에서는 입체적 형상선택성의 감소로 올레핀보다는 파라핀의 선택율이 우세하였다.
메조 세공을 갖는 SAPO-34 촉매를 2차 주형 물질로서 탄소 나노튜브(CNT)를 이용한 수열 합성 방법에 의해 성공적으로 합성했으며, CNT 첨가량(0.5, 1.5, 2.5 및 4.5 mol%)이 촉매 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 합성된 촉매들은 X-선 회절 분석(XRD), 주사 전자 현미경(SEM), 질소 흡탈착 등온선 및 암모니아 승온 탈착($NH_3$-TPD)을 통해 특성분석을 수행하였다. 합성된 촉매 중에서 1.5 mol% CNT를 첨가하여 제조된 SAPO-34 (1.5C-SAPO-34)가 가장 큰 메조 세공부피를 나타냈을 뿐만 아니라 총 산점의 양도 가장 높은 것으로 관찰되었다. 그러나 CNT의 함량을 그 이상 첨가하여 제조한 촉매들의 경우 결정의 크기가 너무 작아 오히려 메조 세공의 부피가 감소하는 것으로 나타났다. 제조된 촉매들의 dimethyl ether to olefins 반응에서 CNT 함량에 따른 촉매 수명과 경질 올레핀($C_2{\sim}C_4$)의 선택성을 연구하였다. 그 결과 1.5C-SAPO-34 촉매는 기존의 SAPO-34 촉매와 비교하여 더 우수한 경질 올레핀 선택도와 약 36%의 향상된 촉매수명을 나타났다.
Various reaction conditions uding temperature, time and type and concentration of templates have been changed in order to facilely synthesize, especially with microwave (MW) heating, SAPO-34 molecular sieves. SAPO-34 molecular sieve can be synthesized rapidly with microwave irradiation from a gel containing tetraethylammonium hydroxide (TEAOH) as a template. However, other several templating molecules lead to SAPO-5 molecular sieve under microwave irradiation even though SAPO-34 is obtained by conventional electric synthesis from the same reactant gels. Moreover, SAPO-34 can be obtained more easily by increasing the TEAOH or silica concentration or by increasing the reaction temperature. SAPO-34 can be obtained within 5 min in a selected condition (high temperature of 210 $^{\circ}C$) with microwave heating, which may lead to a continuous production of the important material. SAPO-34 synthesized by microwave irradiation is homogeneous and small in size and shows acidity and a stable performance in the dehydration of methanol and 2-butanol to olefins, suggesting potential applications in acid catalysis.
Vanadium-incorporated aluminophosphate molecular sieve $VO^{2+}-SAPO-5$ was studied by electron spin resonance (ESR) and electron spin echo modulation (ESEM) spectroscopies to determine the vanadium structure and interaction with various adsorbate molecules. It was found that the main species at low concentration of vanadium is a monomeric vanadium units in square pyramidal or distorted octahedral coordination, both in oxidation state (IV) for the calcined hydrated material and in oxidation state (V) for the calcined material. After calcinations in $O_2$ and exposure to moisture, only species A is observed with reduced intensities. It is suggested as a $VO(H_2O)_3^{2+}$ complex coordinated to two framework oxygen bonded aluminum. When calcined, hydrated $VO^{2+}-}SAPO-5$ is dehydrated at elevated temperature, a species loses its water ligands and transforms to $VO^{2+}$ ions coordinated to two framework oxygens (species B). Species B reduces its intensity, significantly after treatment with $O_2\;at\;600^{\circ}C$ for 5 h, thus suggesting oxidation of $V^{4+}\;to\;V^{5+}$. When dehydrated $VO^{2+}-SAPO-5$ contacts with $D_2O$ at room temperature, the EPR signal of species A is observed. Thus species assumed as a $VO^{2+}(O_f)_2(D_2O)_3$, by considering two framework oxygens. Adsorption of deuterated ethanol, propanol on dehydrated $VO^{2+}_{-}SAPO-5$ result in another new vanadium species E and F, respectively, which are identified as a $VO^{2+}-(CH_3CH_2OD)_3,\;VO^{2+}-(CH_3CH_2CH_2OD)_2$ complex. When deuterated benzene is adsorbed on dehydrated $VO^{2+}-SAPO-5$, another new vanadium species G, identified as a $VO^{2+}-(C_6D_6)$ is observed. Possible coordination geometries of these various complexes are discussed.
Vanadium-incorporated aluminophophate molecular sieve VH-SAPO-11 has been studied by electron spin resonanace (ESR) and electron spin echo modulation (ESEM) spectroscopies to determine the vanadium locatin and interaction with various adsorbate molecules. As-synthsized VH-SAPO-11 contains only vanady1 species with distored octahral coordination. After calcinations in $O_2$ and exposure to moisture, only species A is observed with reduced intensities. Species A is suggested as a VO$(H_2O)_2^{2+$} complex coordinate to three framwork oxygen bonded to aluminum. When calcined, hydrate VH-SAPO-11 is dehydrated at elevated temperature, species A loses it water ligands and transforms to $VO^{2+}$ ions coordinated to three framework oxygens (species B). Species B reduces its intensities significantly after treatment with $O_2$at high temperature, thus suggesting oxidation of $v^{4+}$to $v^{5+}$. When dehydrated VH-SAPO-11 contacts with $D_2O$ at room temperature, the ESR signal of species A is observed. This species assumed as a $VO(O_f)_3(D_2O)_2$, by considering 3 framework oxygens. Adsorption of deuterated methanol on dehydrated VH-SAPO-11 results in another new vanadium species D, which is identified as a $VO(CD_{3}OH)$ complex. When deuterated ethanol is adsorbed on dehydrated VH-SAPO-11, another new vanadium species E identified as a $VO(C_{2}H_{5}OD)^{2+}$, is observed. When deuterated propanol is adsorbed on dehydrated VH-SAPO-11, a new vanadium species F identified as a $VO(C_{3}H_{7}OD)$, is observed. Possible coordination geometries of these various complexes are discussed.
SAPO-34 촉매는 메탄올에서 올레핀 전환반응에서 세공크기가 작아 코크침적에 대한 비활성화가 촉진됨에 따라 촉매의 수명증진이 요구된다. 본 연구에서는 촉매의 수명증진을 위해 다양한 구조 유도제로 합성된 SAPO-34 촉매의 특성을 비교하기 위하여 질소 흡착-탈착 등온선, X-선 회절 분석(XRD), 주사 전자현미경(SEM), 암모니아 승온탈착(NH3-TPD) 등을 이용하여 분석하였으며, 또한 MTO 전환반응 실험을 수행하였다. 합성시 구조 유도제에 따른 결정크기의 감소와 산특성의 변화와, 결정크기가 MTO 전환반응에 미치는 영향을 관찰할 수 있었다. 특히 DEA와 TEAOH 구조 유도제를 혼합 사용한 SAPO-34 촉매는 $0.5{\mu}m$ 정도의 균일한 결정크기를 갖으며, 산특성의 최적화로 가장 우수한 MTO 반응성을 보였으며 촉매의 수명이 향상됨을 알 수 있었다.
Vanadium-doped H-SAPO-34 samples were prepared by a high-temperature solid-state reaction between SAPO-34 and the paramagnetic V(Ⅳ) species and characterized carefully by EPR and Electron Spin-Echo Modulation(ESEM) studies. The paramagnetic vanadium species generated in both V$_2$O$\_$5/ and VOSO$\_$4/ of SAPO-34 have the same narrow range of g value fur vanadium species assigned to VO$\^$2+/ inferred from the isotropic EPR spectrum at 293 K. The EPR and ESEM data indicate that the V(Ⅳ) species exist as a vanadyl ion either as [V(Ⅳ)]O$\^$2+/ or V$\^$4+/. The [V(Ⅳ)]O$\^$2+/ species seems to be more probable because SAPO-34 having a low negative framework charged and more positively charged species like V$\^$4+/can not be easily stabilized. Tetravalent vanadium ion in vadium-doped H- SAPO-34 can only be observed at the temperature lower than 77 K, while the vanadyl ion, VO$\^$2+/in the activated sample of VH-SAPO-34 can produce the ion even at room temperature. After the adsorption of methanol, ethanol, propanol or ethene to the VH-SAPO-34, only one molecule coordinate to [V(Ⅳ)]O$\^$2+/ was observed in EPR and ESEM spectra.
Kang Song;Jeong Hyeon Lim;Young Chan Yoon;Chu Sik Park;Young Ho Kim
공업화학
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제34권5호
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pp.548-555
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2023
SAPO-34 catalysts were modified with polyethylene glycol (PEG) and Pb to improve their catalytic lifetime and selectivity for light olefins in the conversion of dimethyl ether to olefins (DTO). Hierarchical SAPO-34 catalysts and PbAPSO-34 catalysts were synthesized according to changes in the molecular weight of PEG (M.W. = 1000, 2000, 4000) and the molar ratio of Pb/Al (Pb/Al = 0.0015, 0.0025, 0.0035), respectively. By introducing PEG into the SAPO-34 catalyst crystals, an enhanced volume of mesopores and reduced acidity were observed, resulting in improved catalytic performance. Pb was successfully substituted into the SAPO-34 catalyst frameworks, and an increased BET surface area and concentration of acid sites in the PbAPSO-34 catalysts were observed. In particular, the concentrations of the weak acid sites, which induce a mild reaction, were increased compared with the concentrations of strong acid sites. Then, the P2000-Pb(25)APSO-34 catalyst was prepared by simultaneously utilizing the synthesis conditions for the P2000 SAPO-34 and Pb(25)APSO-34 catalysts. The P2000-Pb(25)APSO-34 catalyst showed the best catalytic lifetime (183 min based on DME conversion > 90%), with an approximately 62% improvement compared to that of the unmodified catalyst (113 min).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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