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为解决 ZSM-5（Z5）催化剂在处理富碳原料时因积碳导致催化效率和稳定性受限的问题，研究人员开展了 Z5@Silicalite-1（S1）核壳催化剂用于褐煤热解挥发分制轻质芳烃（LAs）的研究。结果表明，适度 S1 涂层可提升 LAs 产率，该研究为相关领域提供了新方向。
在化学工业的大舞台上，轻质芳烃（LAs，如苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘和甲基萘等，英文缩写 BTEXNMN）可是不可或缺的 “主角” ，它们作为重要的原料和中间体，支撑着众多化工产品的生产。一直以来，石油精炼中的催化裂化和加氢重整工艺是生产轻质芳烃的主要途径。然而，随着全球石油储量加速消耗，这一传统供应方式逐渐捉襟见肘。与此同时，煤炭资源却储量丰富，于是，探索以煤炭为原料制备轻质芳烃的新路线，成为科研领域的热门方向。其中，利用不同催化剂将低阶煤热解挥发分转化为轻质芳烃，吸引了众多科研人员的目光。
ZSM-5（Z5）分子筛凭借其出色的催化活性和择形性能，在热解挥发分升级领域备受青睐，能有效促进轻质芳烃的生成。但它也有个 “致命弱点”，在处理像低阶煤这样的富碳原料时，极易发生积碳现象。这是因为低阶煤在初次热解过程中会产生大量具有反应活性的积碳前驱体，这些前驱体就像 “小胶水”，牢牢附着在催化剂的酸性位点上，尤其是外表面的酸性位点。随后，它们不断聚合形成大分子芳香化合物，逐渐堆积成焦炭，严重影响催化剂的活性和选择性。
为了攻克这一难题，科研人员尝试了多种方法。比如，通过化学气相沉积和液相沉积形成 SiO?层来调节 Z5 外表面酸性位点，但这些方法可能会堵塞 Z5 的微孔结构，导致孔径和孔容减小，阻碍反应中间体的传质，进而降低催化性能。而在 Z5 晶体上外延生长与 Z5 结构和微孔性质相似的 Silicalite-1（S1）涂层，形成核壳分子筛（Z5@S1），则被视为一种极具潜力的解决方案。S1 壳层不仅能钝化外表面酸性位点，还有望优化孔结构，促进反应物分子扩散，提升催化效率。此前，核壳催化剂在一些简单反应体系和生物质催化快速热解中已初露锋芒，但在煤热解挥发分升级领域，由外延生长 S1 形成的 Z5@S1 核壳催化剂的性能还未得到系统研究。此外，此前研究发现空心 Z5（HZ5）催化剂在煤热解挥发分升级方面表现优于实心 Z5，而空心 Z5@S1 核壳催化剂结构更为复杂，其结构性质与催化性能之间的关系尚不明确，与实心 Z5@S1 催化剂的差异也有待探究。
基于此，国内的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Fuel》上。该研究意义重大，为褐煤热解挥发分转化为轻质芳烃提供了新的技术思路，有助于缓解石油资源短缺带来的压力，推动煤炭资源的高效利用。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，对内蒙古胜利褐煤进行处理，将其粉碎、筛分并干燥后作为原料。在催化剂制备方面，运用特定方法合成了一系列具有不同 S1 涂层厚度的实心和空心核壳催化剂。同时，利用多种表征手段对催化剂的物理性质、酸位点分布等进行详细分析，以此探究催化剂结构与性能之间的关系。
催化剂物理性质
通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，S1 呈现出规则的六方棱柱结构，平均粒径约 900nm；而母体 Z5 则是均匀分散的椭圆形，外观更具颗粒感，平均粒径约 150nm 。在 Z5 上外延生长 S1 后，Z5@xS1 催化剂表面出现许多凸起颗粒，证实了 S1 涂层的成功生长。
催化性能研究
研究系统评估了一系列通过 S1 涂层外延生长制备的核壳结构 Z5 催化剂对褐煤热解挥发分转化为轻质芳烃的催化性能，并对比了实心和空心 Z5 涂层在钝化外表面酸性位点方面的效果。结果显示，实心 Z5 催化剂在涂覆适量 S1 后，轻质芳烃产率显著提高。其中，Z5@25S1（涂覆 25% S1 的实心 Z5）表现最为突出，轻质芳烃产率高达 19.8mg/g ，相比母体实心 Z5 提升了 22.7%。适量的 S1 涂层有效钝化了母体 Z5 的外表面酸性位点，同时保留了足够的内部布朗斯特酸性位点（Br?nsted acid sites，BAS） 。而且，通过晶间孔的形成以及结构导向剂（TPAOH）诱导的双重脱硅 - 重结晶作用，增大了介孔体积（Vmeso）和孔径（Dave） 。这种优化抑制了活性中间体的再聚合，减少了焦炭沉积，提升了催化性能。相比之下，虽然空心 Z5 涂覆 S1 后也能钝化外表面酸性位点，但与实心 Z5@S1 相比，其内部布朗斯特酸性位点明显减少。这一缺陷限制了更多中间体的连续转化，导致焦炭沉积增加，轻质芳烃产率相较于母体空心 Z5 更低。
反应机制探讨
基于产物的演变和分布情况，研究人员提出了在 S1 涂覆的实心和空心核壳催化剂上，煤热解挥发分催化升级为轻质芳烃的可能反应机制。但文章中未详细阐述具体反应步骤，推测可能涉及热解挥发分在催化剂酸性位点上的吸附、转化，以及中间体在孔道内的扩散和进一步反应等过程。
研究表明，酸度可控的核壳结构催化剂 Z5@xS1 和 HZ5@xS1 在褐煤热解挥发分催化升级过程中表现出不同性能。对于 Z5@xS1，适度的 S1 涂层是提升轻质芳烃产率的关键，它在钝化外表面酸性位点、保留内部酸性位点的同时，优化了催化剂的孔结构。而空心 Z5@xS1 由于内部酸性位点的损失，在催化性能上不如实心 Z5@xS1。该研究为核壳催化剂在煤热解挥发分升级领域的应用提供了重要理论依据，有助于指导后续开发更高效、稳定的催化剂，推动煤炭资源向高附加值化学品转化的工业化进程，在煤炭清洁高效利用方面具有广阔的应用前景。未来，研究人员可进一步优化催化剂制备工艺，精准调控催化剂结构和酸性位点分布，探索更复杂反应体系下的催化性能，为实现煤炭资源的深度利用奠定更坚实的基础。
