双金属(Ni-Zn)掺杂ZSM-5催化剂的微孔-介孔协同效应对正戊烷芳构化的影响研究

针对传统ZSM-5分子筛微孔结构限制传质效率的问题，研究人员通过碱处理脱硅构建介孔结构，并采用Ni-Zn双金属掺杂调控酸性位点，显著提升正戊烷转化为苯、甲苯和二甲苯(BTX)的选择性（达11.3%），为轻质烷烃高值化利用提供了新型催化剂设计策略。

　　

随着石化工业对苯、甲苯和二甲苯(BTX)需求的持续增长，如何将储量丰富的轻质烷烃(C₁-C₅)高效转化为这些高附加值化学品成为研究热点。传统ZSM-5分子筛虽具有优异的择形催化性能，但其狭窄的微孔通道严重限制了反应物分子的扩散，且易因积碳导致快速失活。更棘手的是，轻质烷烃如正戊烷的芳构化需要经历复杂的脱氢-环化路径，这对催化剂的孔道结构和活性位点提出了双重挑战。

针对这一技术瓶颈，Dangote石油炼制与石化公司（尼日利亚）的研究团队创新性地提出"孔道工程-金属协同"的改性策略：通过碱液脱硅在ZSM-5骨架中构建介孔网络，同时引入Ni-Zn双金属组分优化酸性分布。研究显示，原始微孔ZSM-5对正戊烷芳构化完全无效，而脱硅形成的介孔HiZSM-5（Si/Al比从47降至26）使BTX选择性提升至4.3%。当引入2wt%的Zn-Ni后，微孔催化剂的选择性跃升至7.8%，而介孔型Ni-Zn/HiZSM-5更创下11.3%的纪录值，这归因于介孔加速传质与金属位点促进脱氢的协同效应。该成果发表于《Next Research》，为轻烃芳构化催化剂设计提供了新思路。

关键技术方法包括：碱性脱硅构建分级孔ZSM-5、等体积浸渍法负载Ni-Zn双金属、XRD和FTIR表征晶体结构与酸性位点、固定床反应器评价芳构化性能。

【结晶性与官能团】
XRD证实所有改性催化剂均保持MFI拓扑结构，特征峰位于2θ=6^o-46^o。脱硅处理导致相对结晶度下降约20%，但未破坏骨架完整性；FTIR显示Zn-Ni掺杂使Br?nsted酸量增加，这对C-H键活化至关重要。

【反应路径分析】
对比实验揭示正戊烷转化存在两条竞争路径：微孔主导的单分子裂解产生C₁-C₄烷烃，而介孔催化剂促进双分子氢转移生成BTX。Ni-Zn的引入显著强化后者，其机制可能为Zn²⁺提供脱氢中心，而Ni抑制Zn挥发失活。

结论与意义：
该研究首次系统阐明了孔道结构与双金属组分的协同作用规律：（1）介孔率>15nm可消除扩散限制；（2）最佳Si/Al比26平衡了酸性与稳定性；（3）Zn/Ni摩尔比1:1时形成高分散金属簇。这些发现不仅解释了Pan等与Oseke等先前关于金属亲密性争议的深层原因，更指导开发出性能优于Ga/ZSM-5和Mo/ZSM-5的新型催化剂。尽管仍需考察长期稳定性，该工作为炼厂C₅馏分高值化提供了切实可行的解决方案，潜在经济效益显著。