中科院王晨光团队Fuel:引入介孔并调节Al分布以提高ZSM-5在糠醇中对乙酰丙酸的催化性能
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第一作者:Puxiang Yan ; Haiyong Wang
通讯作者:Chenguang Wang
通讯单位:中国科学院广州能源研究所
DOI:10.1016/j.fuel.2022.125213
全文速览
通过后处理方法合成了一系列分级ZSM-5沸石,以将糠醛醇(FAL)转化为乙酰丙酸(LA)。ZSM-5由串联碱处理(0.2M NaOH)和酸洗(0.1M HCl)获得,表示为 ZSM-5-OH0.2-H,表现出最高的活性,在9:1的丙酮-水混合溶剂中,在393K下 0.5小时提供76.2%的LA产率。此外,ZSM-5-OH0.2-H可以重复使用三个反应循环而不会显着降低催化活性。
背景介绍
乙酰丙酸(LA)是一种用途广泛的化学品。常见制备工艺为利用糠醛醇(FAL)转化为LA。但该路线始终面临着几个问题:需要专用设备进行防腐、中和产生盐、难以回收利用。因此,有必要开发多相催化剂来应对这些挑战。具有微孔和介孔复合结构的多级沸石,通常是稳定的,形成的焦炭可以在不改变结构的情况下通过煅烧去除,并且介孔的存在可以有效地促进分子扩散从而抑制焦炭的形成。而使用分级沸石作为催化剂将FAL转化为LA的方法尚未得到很好的研究。
图文解析
结构表征
如图1所示,母体沸石(ZSM-5)和所有后处理的沸石均具有典型的MFI结构。没有检测到新的晶相,表明在碱和酸处理过程中保留了MFI拓扑结构。由于微孔的部分破坏,后处理组的相对结晶度略低于亲本ZSM-5结构体。母体ZSM-5和改性后沸石的N2吸附-解吸等温线如图1C所示。后处理的沸石在0.45-1.0的相对压力下表现出典型的Ⅳ型等温线,具有H4滞后回线,即证实了处理后样品中存在中孔结构。而ZSM-5呈Ⅰ型等温线,表明其具有微孔特性。图1D描绘了孔径分布ZSM-5 和分级沸石。ZSM-5中没有明显的中孔分布,而有限的中孔(3.4和4.7 nm)被引入酸处理的沸石(ZSM-5-H)中。
酸度表征
总酸量的结果列于表1中。与母体相比,酸处理样品ZSM-5-H表现出更强的酸性,这可能与由于沸石内部通道的畅通而更容易吸附氨有关。在ZSM-5-OH0.2的情况下,强酸性大部分得以保留,在随后的酸洗(ZSM-5-OH0.2-H)之后,总酸度从1089 μmol/g略微下降到1021 μmol/g,证实了酸洗过程中发生了Al原子的去除。
催化性能
ZSM-5和多级ZSM-5的催化性能结果如图2A所示。母体沸石ZSM-5在低FAL转化率 (59.3%) 下获得27.5%的LA产率。使用多级沸石作为催化剂时实现了高FAL转化率 (>90%),并且它们遵循LA选择性和LA产率顺序ZSM-5-H < ZSM-5-OH 0.2 < ZSM-5-OH 0.1 -H < ZSM -5-OH 0.4 -H < ZSM-5-OH0.2 -H。使用 ZSM-5-OH 0.2 -H 时获得了最高的 LA 产率 (76.2%),与相同条件下母体ZSM-5的LA产率(27.5%)相比高2.8倍,这表明ZSM-5 -OH 0.2 -H具有将FAL水解为LA的最佳酸性质(酸的类型和浓度)和孔结构。
图2B显示了C B和S meso对测试沸石催化剂的 LA 选择性的影响。有明确的迹象表明,对于所有测试的沸石,LA选择性与C B和Smeso相关。随着C B的增加,LA选择性首先从46.4%迅速增加到76.6%,然后从76.6%略微下降到72.7% ,在研究的Smeso (51.3–169.3 m2/g) 中,LA选择性随着Smeso的增加先增加后减少 。
为了公平地比较两种催化剂,在相似的转化水平下比较性能(图2C、D)。一项关于ZSM-5-OH0.2-H 的研究在75 mg的减少剂量下产生了70.2%的FAL转化率和66.5%的LA选择性,而在类似的FAL转化率下,(150 mg)ZSM-5的LA选择性仅为46.8%(72.3%)。因此,微孔沸石ZSM-5的催化性能在选择性和活性方面不如分级ZSM-5-OH 0.2-H。
考虑到本研究中测试的沸石催化剂的不同酸度,它们的催化活性进一步通过以每个布朗斯台德酸位表示的FAL的初始转化率。FAL初始转化率随着S meso的增加而增加(图3)。催化性能最好的ZSM-5-OH 0.2-H的初始FAL转化率为2.5 mol·mol B-1·min-1,这是与ZSM-5的FAL初始转化率(0.71 mol·mol B-1·min-1)相比的3.5倍。虽然FAL具有分子直径类似于ZSM-5(约0.55 nm),分层和微孔ZSM-5之间FAL初始转化率的差异清楚地证明了将中孔引入ZSM-5增加了FAL进入活性位点的可能性。这似乎是微孔和分级ZSM-5之间催化活性差异的原因之一。
吸附机理
为了更深入地了解晶内中孔隙率如何促进分级沸石的催化性能,即结构-活性关系,我们获得了FAL在不同沸石上的吸附曲线(图4)。NaZSM-5-OH 0.2-H的 FAL吸附容量随时间显着增加,而母体NaZSM-5略有增加。FAL在NaZSM-5-OH 0.2-H上的平衡吸附容量大约是NaZSM-5的两倍,表明NaZSM-5-OH 0.2-H上有更多的位点可以容纳FAL。
沸石的拟合曲线和相对峰面积如图5A、B所示。两种沸石在56和58 ppm的相对浓度明显不同,表明由于ZSM-5中Al原子的选择性去除,四面体T位点上的Al分布不同。虽然不同的反卷积图案表明MFI框架内的不同Al分布,不同T位点之间的化学位移非常接近。尚无法将特定的 Al位置精确地分配给相应的峰。
由于FAL在沸石催化剂上水解为LA是在具有酸性位点的AlF上进行的,如果已知位于某些位点的特定AlF的催化性能,则可以通过调整AlF的位置来获得增强的催化活性。ZSM-5具有三个通道:直线(α)、交叉(β)和正弦通道(γ)。已经证明,可以通过Co型沸石的UV-vis-DR光谱对Al对不同通道上的Al位点进行定性和定量分析。15100 cm -1的谱带属于直通道中的Co 2+,16000、17150、18600和21,200 cm -1的谱带属于交叉点的Co 2+,20,100和22,000 cm-1的谱带是由于正弦通道中的Co 2+,如图5C、D所示。
如表2所示,沸石中Al F的主要铝物种为Al对,更准确地说,它属于Al-O-(Si-O)2中的Al-Al序列。ZSM-5-OH 0.2 -H中Al对的相对含量高于ZSM-5,这很可能是由于碱选择性去除部分Si原子时Al原子变得更近。此外,对于ZSM-5-OH 0.2-H,与ZSM-5 (61.9%)相比,更多的Al原子(81.4%)分布在交叉腔中,导致直通道和正弦通道中的Al含量较低。这一观察表明,碱酸处理优先去除位于直通道和正弦通道的Al原子。小孔中的少量Al原子(直通道和正弦通道,0.53 × 0.56 nm和0.51 × 0.55 nm)降低了生成的LA的副反应概率,因为它从内部通道扩散到溶液中,这有助于高选择性ZSM-5-OH 0.2- H上的LA。最重要的是,通过引入介孔,FAL对活性位点的吸附能力增强,小孔中的Al位点减少,从而减少生成的LA的二次反应,这为多级沸石的催化性能增强提供了解释(图6)。
可回收性研究
如图7所示,在三个循环后使用未煅烧的 ZSM-5-OH0.2-H时,观察到FAL转化率和LA产率明显下降,从99.5%降至60.4%(第三轮),从76.2%降至18.2%(第三轮),这是由于在催化剂上形成不溶性焦炭。ZSM-5-OH0.2-H活性位点的浸出是由水热引起的。在水解反应期间脱铝而不是在反应后通过煅烧。这可能是ZSM-5-OH0.2-H在再利用过程中催化活性降低的原因。尽管如此,沸石回收和再利用的可行性是积极的,因为作为影响经济可行性的关键因素之一的LA的产率在重复使用两次后下降了7.4%,但降幅很小。
总结与展望
通过后处理制备了一系列分级 ZSM-5 沸石,用于将FAL催化转化为LA。使用分级沸石 ZSM-5-OH 0.2-H 作为催化剂,获得了来自FAL的76.2%的高产率的LA。在直通道和正弦通道中引入中孔和少量Al位点通过增强FAL的吸附和减少生成的LA的二次反应来提高ZSM-5-OH 0.2 -H的催化性能。此外,ZSM-5-OH 0.2-H的催化活性很容易通过煅烧恢复。三个循环后,FAL的水解以64.5%的产率提供了LA。这项工作提出了一种简单、有效且可回收的催化剂,用于从FAL合成LA,这对于半纤维素的高价值利用至关重要。
全文链接:
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125213
2022-11-27
2022-11-26
2022-11-23
2022-11-22
2022-11-21
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