前沿應用|低場核磁共振技術表征催化劑多孔材料的孔連通性性能

背景

塑料廢物的回收利用是當前急需解決的重要環(huán)境問題。目前，主要的回收方法包括機械回收和焚燒，但這些方法存在顯著局限性，例如材料性能下降以及可能引發(fā)的環(huán)境污染問題。熱催化裂解技術能夠將塑料廢物轉化為高價值的基礎化學品，兼具環(huán)境效益與經濟效益，是一種極具潛力的塑料回收途徑。分子篩催化劑因其獨特的孔道結構和酸性位點，在催化裂解反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，傳統(tǒng)的微孔分子篩催化劑由于傳質限制，難以有效應用于大分子或立體位阻較大的分子（如塑料）的處理。分級孔道結構可通過克服傳統(tǒng)微孔分子篩催化劑的傳質限制，顯著提高反應物和產物的擴散速率。針對多孔催化劑材料孔連通性能的表征手段，目前常用的方法包括掃描電子顯微鏡（SEM）、氣體吸附法（BET）和小角 X 射線散射（SAXS）。然而，上述傳統(tǒng)方法均存在一定局限性：SEM 主要提供樣品表面形貌信息，難以獲取內部結構細節(jié)；氣體吸附法僅能反映孔徑分布，難以揭示孔道形狀及連通性特征；SAXS 對樣品分散性和穩(wěn)定性要求較高，且其分辨率受限于散射強度和樣品厚度。本應用引入低場核磁共振技術，通過分析水分子在催化劑孔道中的弛豫時間，從而評估催化劑孔道的連通性。

該應用對硝酸洗脫的 HY 分子篩 (DA(HNO30.5 h)-Y) 和未處理的 HY 分子篩 (H-Y)的孔道的連通性進行了研究。首先對樣品進行了飽水處理，將沸石置于去離子水中浸泡72小時，以確保水分子充分吸附至沸石孔道內部。隨后采用T1-T2序列對樣品進行測試，并為對比分析，對純水樣也進行了相應的測試。

圖1：自由水、未經處理的H-Y分子篩、經硝酸洗脫后的H-Y分子篩(DA(HNO3 0.5 h)-Y)T1-T2圖譜

對于自由水，在圖像上觀察到一個黑色的弛豫種群，其 T1 約為 3.1 秒，T2 約為 2.7 秒，弛豫時間較長，符合液態(tài)水的特征。未經處理的 H-Y 分子篩僅表現(xiàn)出一個弛豫種群（紅色），這表明水分子在微孔和顆粒間空間之間存在快速交換，對應于微孔中的水分子行為。而經硝酸洗脫后的 H-Y 分子篩 (DA(HNO3 0.5 h)-Y) 同樣僅表現(xiàn)出一個弛豫種群，但其弛豫時間更長且分布范圍更廣，這表明水分子擴散至更大的孔結構中，同時反映了分子篩具有更為復雜的孔道結構，從而進一步支持了其連通分級孔結構的假設。

同時使用了PGSTE序列來測量樣品中水的自擴散系數(shù) (D)，對于未經處理的 H-Y 分子篩，信號衰減數(shù)據可以用單指數(shù)衰減函數(shù)擬合，得到一個自擴散系數(shù) D = 1.40±0.02×10^-9 m²/s。對于 DA(HNO3 0.5 h)-Y 分子篩，信號衰減數(shù)據可以用雙指數(shù)衰減函數(shù)擬合，得到兩個擴散種群：一個大的快速擴散種群，自擴散系數(shù) D1 = 1.64±0.02×10^-9 m²/s，對應于長程擴散，即水分子在微孔、介孔和顆粒間空間中自由擴散。一個小的慢速擴散種群，自擴散系數(shù)D2 = 3±0.5×10^-10 m²/s，可能對應于微孔阻塞，即水分子在微孔中受到限制，擴散速率較慢。

圖2：PGSTE序列測試數(shù)據a、未經處理的H-Y分子篩（單指數(shù)衰減函數(shù)擬合）；b、經硝酸洗脫后的H-Y分子篩(DA(HNO3 0.5 h)-Y)（雙指數(shù)衰減函數(shù)擬合）

該案例充分展示了低場核磁共振技術在催化劑孔連通性表征方面的顯著優(yōu)勢，具體包括以下幾點：其一，具有非侵入性特點，無需對樣品結構造成破壞；其二，具備高靈敏度，能夠有效檢測微小孔道結構的變化；其三，可同時對孔道大小及連通性進行研究。

該案例為研究其他催化劑的孔道結構提供了參考，有助于開發(fā)高性能的催化劑。

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