Tack vare olika kristallina topologier, avstämbar kemisk sammansättning, hög (hydro) termisk stabilitet, och kontrollerbar ytsyra/basicitet, zeoliter används i stor utsträckning vid petroleumraffinering, petrokemisk tillverkning, fin kemisk syntes, biomedicin, miljökemi, etc. Emellertid, för många zeolitkatalyserade reaktioner, molekyldiametrarna för de involverade reaktionsämnena är ofta större än zeoliternas poröppningar. Detta leder till oönskat diffusionsmotstånd mellan bulkfasen och katalysatorns aktiva centra, därigenom avsevärt minska katalysatoreffektiviteten.

Att lindra diffusionsmotstånd och förbättra katalysatoreffektiviteten hos den zeolitbaserade katalysatorn är alltid en av de mest angelägna frågorna inom akademi och industri. Under de senaste decennierna, verktyg för att integrera hierarkiska mikro-/mesoporösa strukturer i zeoliter för bättre diffusion och katalysatoreffektivitet har berikats avsevärt.

Dock, i de verkliga industriella katalysprocesserna, även om zeolitisk komponent innehåller hierarkiskt porös struktur, det är bara en av komponenterna i den flerkomponents industriella katalysatorn. Den zeolitbaserade industriella katalysatorn är väsentligen hierarkisk struktur sammansatt av mikroporösa zeolitiska och makroporösa icke-zeolitiska komponenter. När den hierarkiskt porösa strukturen är integrerad, Katalysatorn har också en mikro-/meso-/makroporös trimodal hierarkisk struktur. Självklart, den hierarkiska porstrukturen hos industriella zeolitbaserade katalysatorer finns i två nivåer:"inuti den zeolitiska komponenten" och "mellan komponenterna i den industriella katalysatorn."

I ett nytt granskningspapper publicerat i Beijing-baserade National Science Review , forskare vid China University of Petroleum i Qingdao, Kina (Peng Peng, Zi-Feng Yan), China National Petroleum Company i Peking, Kina (Xiong-Hou Gao), och franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning (CNRS) i Caen, Frankrike (Svetlana Mintova) analyserade det senaste inom rationell design av hierarkiska mikro-/mesoporösa strukturer ur katalytisk reaktionsteknisk synvinkel.

Ur katalytisk reaktionsteknik, de kvantitativa indikatorerna för att utvärdera katalysatoreffektivitet är katalysatoreffektivitetsfaktor (η) och Thiele-modul (φ). Om katalysatorsystemet genomgår starkt diffusionsmotstånd (η <0,25), då är η det reciproka av φ, så ökad η betyder minskad φ. Baserat på definitionen av φ, förbättring av η kan uppnås genom att antingen öka den effektiva diffusionskoefficienten (Deff) eller förkorta diffusionsvägen (L). Baserat på det här, den mesoporösa strukturen i hierarkisk zeolit ​​kan delas in i tre typer:(1) "funktionella mesoporer" (öka effektiv diffusionskoefficient, Deff); (2) "hjälpmesoporer" (förkorta diffusionsvägen, L); och (3) "integrerade mesoporer" (öka samtidigt Deff och förkorta L). För hierarkiska zeolitmaterial, utmärkt porförbindelse kan säkerställa snabb diffusion och desorption av produkter som bildas på de aktiva platserna i mikroporerna, undviker därmed inaktivering. För ett kaskadreaktionsnätverk som fluidkatalytisk krackning (FCC), väldesignad hierarkiskt porös struktur kan säkerställa sammankopplingen mellan mikro- och mesoporer, vilket är mycket viktigt för reaktionsreläet i FCC -processen.

Zeolit ​​med en hierarkisk porös struktur är bara en av komponenterna i verkliga industriella katalysatorer. För att uppfylla kraven på mekanisk styrka, hydrotermisk stabilitet, motståndskraft mot förgiftning och koks i de industriella katalytiska processerna, industriella katalysatorer behöver lägga till andra icke-zeolitiska komponenter. Även om interaktionsmekanismen mellan de industriella katalysatorkomponenterna inte är helt klarlagd, den icke-ideala anpassningen av de porösa strukturerna mellan zeolit- och icke-zeolitkomponenterna kan orsaka minskande prestanda hos de hierarkiska por-zeolitkomponenterna. Samordningen av porernas sammankoppling av hierarkiska zeoliter och andra icke-zeolitiska komponenter i industriella katalysatorer är en brådskande fråga som måste åtgärdas innan de industriella tillämpningarna av hierarkiska zeoliter.

Det slutliga målet för att förbereda hierarkiskt poröst material är att helt frigöra sin potential i industriell skala genom att kontrollera den hierarkiska porstrukturen, olika komponenters placering och sammankoppling som spelar en avgörande roll för att öka deras katalytiska effektivitet. Utveckla kombinerad in-situ eller operando spektroskopisk, mikroskopiska eller diffraktionstekniker är nyckeln till att reda ut struktur-aktivitetsförhållandet hos hierarkiska zeoliter som en komponent i industriella katalysatorer.