The crystallization mechanism and catalytic performance of pentasil type zeolite have been investigated.
High silica ZSM-5 was synthesized at the atmospheric condition less than 100℃. The initial progress of crystallization could be well observed since that condition provides a very long induction period. The thin platelike lamellae were found as the first solid phase and they were then broken into smaller intermediate particles. The crystallization of high siliceous crystals initially occurred on the surface of them and thereafter aluminum incorporated into the zeolite framework, resulting in further growth of the crystals.
Catalytic performance was investigated through n-pentane cracking reaction performed over HZSM5 and (H, Ni)ZSM5 catalysts. Methane and hydrogen were produced as the primary products over both catalysts, showing that the protolysis and C-H bond cleavage occur at the Bronsted acid catalyst. The reaction activity and aromatic selectivity (especially BTX and $C_9$ aromatics) over (H, Ni)ZSM5 was higher than HZSM5 catalyst. The activity and aromatic yield increased with the amount of Ni ion exchanged in HZSM5 catalyst. It was concluded due to Lewis acid sites. Hydrogen yield was also higher over (H, Ni)ZSM5 catalyst than HZSM5. It was proposed for the reason that the reverse spillover occurs over the reduced Ni atom and that Ni atom acts as the hydrogen acceptor. The reaction networks, the initial selectivities, the optimum performance envelope curves, and the reaction kinetics were studied for both catalysts.
Nickelosilicate was synthesized at the atmospheric condition different to the conventional hydrothermal autoclave system. It was considered that some Ni atoms did not participate in the framework lattice and they existed as nickel oxide. The degree of participation in the framework lattice of nickelosilicate was observed through the catalytic cracking and the hydrocracking reaction of the feed, n-pentane. The images of nickelosilicate crystals, the TG-DTA analysis data, and XRD patterns showed the similar character with ZSM5 zeolite.
펜타실형 제올라이트 의 결정형성 기구와 반응특성에 관하여 연구 하였다. 기존의 합성방법이 아닌 100℃ 이하 상압합성 조건에서 결정형성 초기의 진화과정을 잘 관찰할 수 있었는데, 지금까지 알려진 바가없는 Clean Amorphous Lamellae 로 형성되는 고체상 내에서 Solid-Solid 변환에 의해 핵화 및 결정화가 진행되었다. 고체상에서 형성된 이들 결정은 대단히 Siliceous 하였다. Al 은 나중에 Al-rich amorphous 상으로부터 용액으로 용해되어 제올라이트 결정표면에서 결정성장에 참여하였다.
반응특성 분석을 위해 n-펜탄을 반응물로 하여 HZSM5 및 (H,Ni)ZSM5 상에서 반응시켰다. 두 촉매 모두 Bronsted 산점이 기여해서 만들어지는 것으로 보이는 $CH_4$ 및 $H_2$ 를 초기반응 생성물로 생성하였다. (H,Ni)ZSM5 촉매는 Lewis 산점이 기여하기 때문으로 생각되어 지는, 상대적으로 높은 활성과 높은 Aromatics (특히 BTX 및 $C_9$ aromatics) 선택성을 보였다. 또한, (H,Ni)ZSM5 가 HZSM5 보다 많은 $H_2$를 생성하는데 이는 Ni 이온의 환원 작용에 의한 "Reverse Spillover" 작용때문으로 사료되며, 상기 두 촉매들에 대한 반응 네트워크, 초기반응 선택도, OPE curves, Kinetics 를 연구하였다.
기존의 합성법이 아닌 상압합성 조건에서도 Nickelosilicate 의 합성은 가능하였으나 Si/Ni 비 가 적을수록 일부 결정 격자내에 참여하지못한 Ni 가 존재함을 분해반응 및 수첨분해 반응을 통해서 알 수 있었다. Nickelosilicate 의 결정구조, 열 분석, 결정 Morphology 등의 분석등은 ZSM5 제올라이트와 거의 유사한 특성을 보였다.
