Angew. Chem. :多级孔STW沸石催化剂用于高效制备对二甲苯

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对二甲苯作为基础化学品,是生产聚酯单体对苯二甲酸和对苯二甲酸二甲酯的重要原料。目前,工业上主要依靠芳烃抽提、甲苯歧化与烷基化转移等工艺获取对二甲苯。甲苯甲醇烷基化作为一种新型对二甲苯的生产工艺,具有对二甲苯选择性高、易纯化、操作和生产成本低等优势。但在催化生产过程中由于热力学平衡更倾向于生成间二甲苯,高效对二甲苯择形催化剂的研发具有很大的挑战性。催化剂的孔道大小与产物分子尺寸匹配有利于反应的选择性,但也会因分子在孔道中的扩散阻力而使得催化剂易于积碳失活。纳米或多级孔催化剂虽然具有传质阻力小的优点,但其突出的外表面酸性会降低产物的选择性。


近日,南京大学的杜红宾教授和中国石油大学(华东)的郭海玲教授合作,利用一种动力学调控结晶的合成策略,控制高硅和富铝STW沸石的晶化次序,在凝胶团聚体表面优先结晶高硅STW沸石壳,然后内部疏松的富铝无定形物质以此为晶种,向高硅STW沸石壳内面表附着结晶,最终形成晶体中心约100 nm ×150 nm的空腔、具有铝浓度梯度分布的多级孔STW沸石(命名Al-STW-h)。



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Al-STW-h分子筛样品呈单晶结构,具有高的结晶度、均匀的晶体尺寸、较少的缺陷、大的内空腔和良好的热稳定性。更重要的是,Al-STW-h分子筛单晶具有外表面贫铝、中间富铝的浓度区域分布,导致其外表面酸性接近惰性,而内部具有丰富的固体酸位点。

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Al-STW-h分子筛具有类似于ZSM-5正弦形通道的一维十元环螺旋孔道。与硅铝比和晶粒尺寸相近的ZSM-5-n93(Si/Al = 93)催化剂相比,常规的Al-STW-s(Si/Al = 97)纳米晶催化剂由于具有较少的外表面酸性,在甲苯甲醇烷基化制备对二甲苯的反应中表现出较高的对二甲苯选择性(90%),但其一维十元环孔道中分子扩散阻力较大,致使其反应寿命变短(12 h)。相比之下,Al-STW-h(Si/Al = 89)多级孔沸石催化剂则表现出更好的催化性能。甚至与具有惰性外表面的核壳结构ZSM-5@Silicalite-1(Si/Al = 90)催化剂相比,Al-STW-h分子筛催化剂显示出更高的甲苯转化率(17.5% vs 15%)和更长的催化寿命(>85 h vs 57 h)。

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该工作为合成高质量中空多级孔沸石单晶和实现沸石中铝浓度区域分布的调控提供了一种新途径,同时为开发甲苯甲醇烷基化制备对二甲苯高性能催化剂提供了新的研究对象。

文信息

Hollow STW-Type Zeolite Single Crystals with Aluminum Gradient for Highly-Selective Production of p-Xylene from Methanol–Toluene Alkylation

Feng Jiao, Pengyao Yu, Yuchen Cui, Hao Li, Qing Hu, Yanan Xu, Svetlana Mintova, Hailing Guo, and Hongbin Du

该文章的第一作者为博士生焦丰,通讯作者为南京大学杜红宾教授、中国石油大学(华东)郭海玲教授。此外,中国石油大学(华东)Svetlana Mintova教授也为该研究做出贡献。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310419




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