轻质烯烃（C2-C4，包括乙烯、丙烯和丁烯）是重要的有机工业化学品，广泛应用于塑料、药品、溶剂和涂料的生产[1]。乙烯和丙烯可以通过自聚或共聚反应合成多种聚合物材料，如塑料和橡胶。它们还可以通过氧化、卤化等反应生成多种化学中间体，进而合成许多化学品[2]。C4烯烃是一种重要的基础工业化学品，其下游衍生物众多，用于制造各种塑料、润滑剂添加剂、树脂等。由丁二烯制成的化学品主要包括农药、固化剂和增塑剂。此外，丁二烯在香料、表面活性剂和润滑油添加剂的合成中也起着重要作用。同时，从丁烯中生产的2-丙基庚醇是生产邻苯二甲酸二苯酯（DPHP）的主要原料[3]。因此，C4烯烃的市场潜力巨大。
目前，轻质烯烃的生产严重依赖于石油的催化裂化。然而，在许多国家，石油资源的短缺问题日益严重。因此，研究人员开始关注从替代能源（如煤炭、天然气和生物质）制备轻质烯烃的途径，以应对石油资源的短缺。特别是直接将合成气转化为烯烃（STO）的途径更具成本效益和能源效率。从合成气生产轻质烯烃最广泛探索的途径是使用金属氧化物-沸石（OX-ZEO）作为催化剂的双功能催化途径。此外，双功能催化剂对轻质烯烃的选择性高达80%，这显著突破了FT（费托）反应中ASF（Anderson-Schulz-Flory）模型所预测的58%的选择性上限[4]。在双功能催化途径中，金属氧化物和沸石分别负责CO的活化和C-C偶联反应[5]、[6]、[7]、[8]。报道的用于将合成气转化为轻质烯烃的金属氧化物系统主要包括ZnCrOx、[7] ZnAlOx、[9] ZrZrOx、[6] InZrOx、[10] MnGaOx、[11] ZrCeZnOx、[12]等。
在OX-ZEO途径中，沸石上中间产物的催化转化是STO反应的第二步，其主要功能是将中间产物转化为烯烃。沸石的笼状结构具有类型选择性催化作用，其酸性特性会影响反应过程中的活性和烯烃选择性。王团队[6]和鲍团队[7]分别使用ZnCrOx、MnO和ZnZrOx与SAPO-34沸石进行STO反应。尽管轻质烯烃的选择性高达80%，但CO的转化率低于20%。孟等人将Zn-Al金属氧化物与SAPO-18沸石结合用作STO反应的双功能催化剂[13]。虽然CO的转化率可达到约30%，但轻质烯烃的选择性仅约为70%。同样，苏等人使用ZnCrOx与八元环SAPO-17沸石进行STO反应[14]，当CO转化率为38%时，轻质烯烃的选择性仅为69%。显然，在基于OX-ZEO双功能催化的STO反应中，仍需提高CO的转化率以减少未转化CO和烯烃分离所需的能量消耗。然而，随着CO转化率的提高，更多的烯烃会转化为烷烃，从而降低烯烃的选择性。因此，同时实现高CO转化率和高轻质烯烃选择性是一个巨大的挑战。
此外，焦等人报道的ZnZrOx/MOR催化剂有效提高了STO反应中乙烯的选择性，当CO转化率为11%时，乙烯的选择性达到了71%[15]。苏等人报道ZnCrOx/SAPO-17催化剂在STO反应中对乙烯和丙烯的选择性很高（76.4%），CO的转化率为38.2%[14]。这为提高合成气转化过程中单一烯烃产品的选择性提供了思路。众所周知，如果能够以高选择性将合成气转化为单一烯烃，将大大降低产品分离过程中的能量消耗，从而显著提高STO反应的综合效率。但据我们所知，目前尚未有关于在STO反应中高选择性合成丁烯的报道。
SAPO系列沸石已被广泛用于许多反应[16]、[17]。在SAPO系列沸石中，SAPO-5具有AFI拓扑结构，其一维十二元环通道平行于[001]方向，具有适当的酸性、较大的比表面积和良好的水热稳定性。它常用于烷基化、异构化和催化氢化反应，其合理的孔径分布有助于提高催化活性和选择性[18]、[19]、[20]。已有文献表明，SAPO-5沸石的合成相区域相对较窄，在合成过程中很容易产生杂质，例如SAPO-34、SAPO-35、SAPO-18等杂质。例如，在SAPO-5样品的XRD数据中可以观察到少量SAPO-34的杂质，这种杂质是由于合成过程中CHA和AFI结构之间的竞争所致[20]。在水热系统中合成SAPO-5沸石的过程中，反应物比例、合成溶液的pH值、反应温度和反应时间等条件是影响最终产物结构和组成的决定性因素。因此，研究SAPO-5沸石合成过程中的影响因素具有重要意义。
在本研究中，通过水热法制备了SAPO-5沸石，并将其与ZnZrOx物理混合，形成了用于STO反应的双功能催化剂。研究了模板剂用量和结晶时间对SAPO-5沸石合成的影响，以获得最佳的合成条件。此外，还制备了不同Si/Al比的SAPO-5沸石，并研究了Si/Al比对形态、结构、酸性和STO反应催化性能的影响。同时，还研究了SAPO-5沸石与ZnZrOx的混合方式和质量比、STO反应条件以及双功能催化剂的稳定性。
