程序升温脱附研究沸石的表面酸性.在不同Ca2+,NH4离子交换度的Y型沸石上正丁胺的程序升温脱附峰谱王公慰尹桂林曹锡梅郑禄彬*(中国科学院大连化学物理研究所)提要用正丁胺作为吸附质,考察了在不同交换度的NaCaY和NaNH4沸石上的程序升温脱附。正丁胺在NaY上的TPD图谱基本上和吡啶的相同,不同处是在350以上尚有一小峰包(峰。NaY中Na+离子经Ca2+离子交换后,峰向低温处转移,而肩膀峰(峰)亦渐趋消失。在NH4交换后的NaHY分子筛上,除峰、峰有与CaNaY相似的变化外,在高温区,峰前另出一峰,它随NH+离子交换度的增加而增大,同时向高温区位移,至NH4交换度为90时,峰和峰重合。Ca2+或NH+交换的NaY分子筛,其正丁胺的TPD图谱都具同一特征,即在高温区出现一新峰,表明NaY经钙或类似的其他离子交换后产生新的酸性吸附中心。经色谱鉴定,脱附产物只有正丁胺,其总吸附量随交换度增加而递减,表明正丁胺在Na+离子上的吸附较强。前文报道了利用吡啶化学吸附的程序升温脱附技术,对在临近反应条件下,不同Ca2+离子交换度的Y型沸石表面酸性分布的考察结果。指出了随着Ca2+离子交换度的增加,沸石表面的酸性有明显的变化;吡啶不仅可大量地被吸附在NaY原粉上,而且其吸附量随Ca2+离子交换度的增加而减少。本文旨在考察在不同交换度的CaNaY和NH4NaY沸石上正丁胺化学吸附的TPD峰谱。实验结果实验装置与程序和第报相同[,所用正丁胺为德国进口试剂再经蒸馏切割制得。1.在不同NH4离子交换度的Y型沸石上正丁胺化学吸附的TPD峰谱不同NH4交换度的Y型沸石试样,在450,510-4托尔的条件下真空预处理两小时*,正丁胺化学吸附的TPD峰谱,示于图1中。1980年10月14日收到。*参加工作者还有王兴春、古世鉴、徐桂芬、熊德富、张德庆、李栋藩、王洪道、周贤敏、徐丽英、郭郁。*此等样品形态实际上是HNaY,为方便计,仍名之为NHNaY。从图中可以看出,在未经交换的NaY原粉上*,出现了三个脱附峰,其峰顶的温度TM,分别为230(TM()),285(TM())和420(TM())。随着其中Na+离子被NH4离子所交换,峰形发生了较大的变化,44-NH4NaY试样上(前面的数字表示交换度,下同)峰均向低温区位移,峰面积减小,并在峰和峰之间出现了一个新的脱附峰(峰)。随着交换度的进一步增加,峰和峰的面积同时增大,至交换度为90%时,仅剩下峰和峰两个脱附峰。各试样相应脱附峰的峰顶温度列于表1,其相应的吸附、脱附数据列于表2。表1一些试样的TPD峰谱中各脱附峰顶温度2.在不同Ca2+离子交换度的Y型沸石上正丁胺化学吸附的TPD峰谱Ca2+离子交换的Y型沸石试样的预处理条件与第报[]相同,其正丁胺化学吸附的TPD峰谱绘于图2中。从图2可以看出,随着Ca2+离子交换度的增加,峰、向低温方向移动,峰面积减小,而峰则逐渐增大。各试样相应脱附峰的TM值及其相应的吸附、脱附数据分别列于表3和表4。*NaY原粉先与NaOH溶液交换,随后洗涤,如是三次以除去其它金属离子或H+。表2 n-C4H0NH2在NH4NaY系列上的TPD数据*表3一些试样的TPD峰谱中各脱附峰的峰顶温度表4 n-C4H0NH2在CaNaY系列上的TPD数据3.在同一沸石上吡啶ぁ、正丁胺吸附的TPD峰谱的比较图3为在NaY原粉上及在68-CaNaY沸石上吡啶和正丁胺吸附的TPD峰谱,可以看出,在NaY沸石上所吸附的吡啶,只有两个脱附峰,而正丁胺则有三个脱附峰,后者的峰、与吡啶ね脱附峰处于相应的温度范围内,第三个脱附峰则出现在420的高温区。在68-CaNaY沸石上,吡啶也只出现两个脱附峰,且第二个峰出现在500的高温区,而正丁胺脱附的峰形与其在原粉NaY上的相似,仅只第峰向低的峰面积则增大。温区位移,峰面积减小,而峰图4比较了在相同交换度(66~68%)的CaNaY和NH4NaY沸石上正丁胺吸附的TPD峰谱,可以看出两者的区别是明显的,在350以上,NH4NaY出现两个脱附峰,而CaNaY只有一个脱附峰,但是在350以下时,则相反。讨论1.NaY沸石及不同交换度的CaNaY,NH4NaY沸石酸性的比较在NaY沸石上[1]吸附吡啶的TYD峰谱中,出现了两个脱附峰,其峰顶温度T相应地为180-190300-320。4从图2中看出正丁胺在NaY沸石上程序升温脱附时出现了三个峰,其中,峰、的TM分别为230及285,这表明,在NaY沸石上的Na+离子可作为广义的Lewis酸位与诸如吡啶、正丁胺等有机碱进行化学吸附(峰。峰可能是吡啶在分子筛内表面上残余的物理吸附。另一方面,从表2、表4可看出,不论是在Ca2+,还是NH4交换的沸石上正丁胺的吸附量,均随这些离子的交换度的增加而减少,因此可知正丁胺等有机碱在Na+离子上有颇强的吸附力。但是,这种吸附并不意味着Na+具有酸性。因为很多实验事实说明[,23],NaY沸石并不显示酸性,此时烃类的转化系按自由基机理进行[5]。峰所表征的只是有机胺分子在Na+离子上的吸附。随着NaY沸石中的钠离子被Ca+,NH4离子所交换,正丁胺的TPD峰谱发生了较大的变化。随着Ca2+离子交换度的增加,峰、峰向低温方向移动,且峰面积减小。而峰面积却渐增大,其TM在420附近(图2。随着钙离子交换度的增加,峰(+)和峰的相对峰面积比迅速下降(表4,表明CaY型沸石的主要酸性是由峰所表征的较强的酸性中心所引起的,且当交换度大于60%时,峰的相对比例接近和超过峰(+。因此,可以认为,在CaNaY沸石上除阳离子中心可吸附吡啶以外(峰还有新的吸附中心产生。对于NH4离子交换的Y型沸石,当焙烧温度低于500时,主要的酸性属于Bronsted酸[6]。图1表明随着沸石中NH4离子交换度的增加,其TPD峰谱显示有规律的变化,在44-NH4NaY试样上,出现了四个脱附峰,其低温区(<350)峰谱图形与CaNaY系列沸石的相似,而在>350时,峰的TM为420,与CaNaY中的峰的TM相近。此外,在峰和峰之间,出现了一个新的脱附峰(峰,随着交换度的进一步增加,峰和峰的峰面积同时增大,至交换度为90%时,峰,峰合而为一峰。从表2中可以看出,当交换度大于44%时,其峰(+)的相对峰面积就比峰(+)的大。由此可知,在C2+,NH4离子所交换的Y型沸石上的正丁胺TPD峰谱中,除峰可能属于物理吸附外,峰系有机碱分子与阳离子作用的结果。峰的TM,随离子交换度的增加而向低温区位移:CaNaY的交换度90%时,其TM位移近60,而在NH4NaY分子筛中,NH4交换度在80%以上时,其TM位移近10。随着Ca2+和NH4离子交换度的增加,高温区都出现新的脱附峰,TM均在420左右,这进一步说明,这一脱附峰和H+的存在有关,且峰或峰(+)的面积随着交换度的增加而增大。如将凡与有机碱作用的吸附中心称之为酸中心,那么NH4或Ca2+交换的Y型沸石表面应存在两大类酸性中心,一类是强度较弱者,T值小于350的酸性中心,另一类是强度较强者,TM大于350的酸性中心。两种类型的酸性代表了沸石表面上不同结构的吸附中心。如前所述,不论是Ca+,还是NH4离子交换的Y型沸石上,在350以前的脱附峰形均与NaY原粉相似。这一类酸性表征包括Na+离子在内的金属离子所表现的酸性。而在TM值大于350时的脱附峰则不仅与阳离子的交换度有关,且与所交换的阳离子的种类、性质有关,因此,这类酸性是由离子交换所引起的,它代表着吡啶和正丁胺在沸石中由于两价阳离子或NH4交换所形成的Bronsted酸位上的吸附。它是多价阳离子交换的沸石的酸性的主要来源。2.在不同阳离子交换的Y型沸石上正丁胺化学吸附量与酸量之间的关系从表2和表4中可以看出,在130下所测定的正丁胺的吸附量和吸附后于100下抽空30分钟所测定的TPD总脱附量之间相差较大,这可能是由于沸石的物理吸附所致。在Ca2+离子交换的Y型沸石上,正丁胺可与结构OH基团形成正丁胺正离子(即n-C4H9-NH3)也可与表面的Lewis酸位形成配位键合的络合物。同时在沸石静电场的强烈作用下,这些物种及正丁胺分子将发生较大的变形。因此正丁胺分子可能与上述物种相互作用而使表观吸附量增加[7,8]。表2表4的数据也表明,无论NH4NaY或CaNaY系列中任一交换度的沸石,在所采用的吸附及抽空条件下,吸附量与脱附量之差,几乎为一恒值,这可能和沸石的骨架及Si/Al比值有关。在图1和2中还表明,各脱附峰的TM最高为420,而在420-550温度范围内未出现脱附峰,且对脱附产物的气相色谱分析也未检测出正丁胺的分解产物。我们曾对NH4NaY系列脱附后的沸石试样进行热重分析,其结果列于表2中,可以看出,在NaY原粉上,其失重量为正丁胺吸附量的1.1%左右,其后,则随交换度的增加而增加。这表明在NH4NaY系列上存在着不可逆的吸附。值得注意的是,在NH4NaY沸石上,当处理温度>600时,将有脱OH反应发生,脱OH量又随交换度的增加而增大。因此所失重量除因不可逆吸附外,还应包括NH4NaY沸石在高温下脱OH基所引起的重量损失。尽管如此,由于在沸石上不可逆吸附引起的失重量相对于总吸附量(或总脱附量)的比重较小,上述吸附量和脱附量之差,主要乃是沸石上的物理吸附(包括氢键作用)所引起的。由图5可知,在两系列沸石上正丁胺的脱附量均随阳离子交换度的增加而线性下降。NaY原粉的总脱附量最高,其值约为0.07克/克,而~90%交换度的CaY和HY沸石的总脱附量则最低,这与我们在CaNaY系列上吡啶化学吸附的TPD峰谱的研究中所得结果一致[1]。不仅如此,且两个系列的总脱附量与交换度的关系几乎相同,这表明总脱附量随交换度的变化直接与Na+离子在晶胞中的浓度相关。CaNaY和NH4NaY系列沸石上的酸性中心,用谜正丁胺化学吸附的TD峰谱表征也都存在着两种类型。正丁胺的总脱附量代表沸石的总酸量,它可看成是TM值处于低温区时的酸量和TM值处于高温区的酸量之和,前者在烃类的转化反应中不具催化活性,只有TM值处于高温区的酸性中心才具有催化活性。在CaNaY和NH4NaY两个系列的沸石上,所有数据表明高温区脱附峰面积均随交换度的增加而增大,在NH4NaY沸石上高温区脱附峰面积所占百分数均比CaNaY沸石上的相应值为高。从所计算出相当于高温区脱附峰的酸量可以看出,在CaNaY沸石上,酸量随交换度增加而线性增加(见图6,表2,表4),但在NH4NaY沸石上,随交换度的增加,酸量值呈极大值(交换度50%左右),当交换度再次增大,该值则逐渐下降。在接近90%交换度时,两类沸石的酸量相等,约为2.410-4克分子/克。有趣的是图12在90%换换度下,两者的TPD峰谱极为相似,但在高温区脱附峰所占百分比上,90-NH4NaY较90-CaNaY为高(图7)。3.吸附质性质对TPD峰谱的影响图3示出吡啶和正丁胺在CaNaY系列沸石上的TPD峰谱。首先两者的脱附量上差别大,正丁胺的脱附量只及吡啶的1/21/3。吡拎啶さ的脱附峰峰形矮而胖,峰宽较大,峰与峰之间界线不明,而正丁胺的峰形则较陡峭,峰宽较窄,峰间界线较清晰。同时吡拎啶的相应TM值比正丁胺的要高。吡啶、正丁胺同属含氮有机碱,其有效分子直径分别为5.5A和4.3A,均不易进入β笼。但吡啶为一杂环共轭体系,具有芳香性;而正丁胺则为饱和的链状极性分子。吡啶中N原子上所带的孤对电子在其分子的吸附力中所作的贡献,远不如其共轭体系芳香环所作的,因此即使吡啶的Pka值只有正丁胺的10-5,前者在Y型沸石内腔的吸附力仍比后者强。两者在峰形上的不同,也说明吡啶さ的脱附较难(吸附较强),其分子半径较大(扩散较慢,峰形弥散)。比较奇特的是正丁胺在NaY中高温区所出现的峰。随着NaY中被Ca2+交换的交换度的增加,峰逐渐变大,而吡啶的TPD图谱则不同,在Ca2+交换度增至~40%时有一突变。这一问题尚有待进一步探讨。结论1.根据在不同交换度的CaNaY和NH4NaY沸石上正丁胺的TPD峰谱,可将Y型沸石表面酸性区分为两大类:一类是其TM值<350,强度较差的低温酸性中心;另一类是TM值>350的强度较大的高温酸性中心。对烷烃裂化只有后者才具有反应能力。2.在上述两系列沸石上,正丁胺的总脱附量均随阳离子的交换度的增加而减少。参考文献[1]见本文第报,本刊本期第121页.[2]Rabo,J.A.,“Zeolite 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shoulder Ig radually disappears as the content of Ca2+ ion is increa-sed.On NaY zeolites exchanged with NH+ ion,the changes of behavior ofpeak and are the same as that on CaNaY.In addition,in hightemperature range another peak appears before peak and gets higherand higher as the exchange-percentage of NH4ion is increased.At thesame time,the peak-temperature shifts toward higher temperature range.When the exchange-percentage of NH4ion approaches 90%,the peak andpeak coincide.TPD spectra of n-butylamine adsorbed on NaY type zeolites exchangedwith either Ca2+ or NH4ion have the same characteristic profile,i.e.athigh temperature range,a new peak is observed.It is assumed that NaY typezeolites exchanged with calcium ion or the like give rise to new acidity-sitesThe products desorbed from the zeolites were identified by gaschroma-tographic analysis,only n-butylamine was detected.Th etotal amount of n-butylamine adsorbed decreases as the exchange-percentage is increased.This indicates that the n-butylamine is adsorbedon Na+ ion more strongly.