背景

塑料廢物的回收利用是當(dāng)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(shù)能夠?qū)⑺芰蠌U物轉(zhuǎn)化為高價值的基礎(chǔ)化學(xué)品，兼具環(huán)境效益與經(jīng)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(jié)構(gòu)和酸性位點，在催化裂解反應(yīng)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(zhì)限制，難以有效應(yīng)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(jié)構(gòu)可通過克服傳統(tǒng)微孔分子篩催化劑的傳質(zhì)限制，顯著提高反應(yīng)物和產(chǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)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(yīng)用引入低場核磁共振技術(shù)，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(yīng)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(nèi)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(yīng)的測試。

圖1：自由水、未經(jīng)處理的H-Y分子篩、經(jīng)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(jīng)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(yīng)于微孔中的水分子行為。而經(jīng)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(jié)構(gòu)中，同時反映了分子篩具有更為復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)，從而進一步支持了其連通分級孔結(jié)構(gòu)的假設(shè)。

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(jīng)處理的 H-Y 分子篩，信號衰減數(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)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(yīng)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(jù)a、未經(jīng)處理的H-Y分子篩（單指數(shù)衰減函數(shù)擬合）；b、經(jīng)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(shù)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(jié)構(gòu)造成破壞；其二，具備高靈敏度，能夠有效檢測微小孔道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)提供了參考，有助于開發(fā)高性能的催化劑。

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