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导读
近日，大连理工大学郭新闻教授课题组与大连理工大学任利敏研究员、马萨诸塞大学阿默斯特分校Fan Wei教授、阿卜杜拉国王科技大学Han Yu教授等课题组合作，在ACS Catalysis发表题为“b-Axis-Oriented ZSM-5 Nanosheets for Efficient Alkylation of Benzene with Methanol: Synergy of Acid Sites and Diffusion”的研究论文。
苯与甲醇烷基化制甲苯与二甲苯已逐渐成为生产一系列高附加值化工产品、平衡芳香族生产需求的重要途径。其中以ZSM-5沸石为代表的MFI沸石，由于其0.5−0.6 nm的微孔孔径与苯、甲苯以及二甲苯的分子尺寸相近，被广泛应用于该反应中。然而，传统ZSM-5沸石中较长微孔孔道的存在严重阻碍了芳烃分子的扩散，加剧了深度反应的发生，导致产物选择性降低，且催化剂易积炭堵孔而失活。此外，由于反应物中甲醇的动力学直径比苯小很多，其在微孔中的扩散也更快。长的微孔孔道易导致甲醇富集，进而发生甲醇制乙烯、乙烯与苯烷基化等副反应，使得副产物中乙苯选择性升高，甲醇有效利用率降低。且乙苯与主产物二甲苯的沸点相近，分离能耗高。因此设计合成高效的烷基化催化剂以同时实现高活性、低乙苯选择性、高甲醇利用率以及高稳定性具有重要的研究意义与应用价值。
图1 b轴取向ZSM-5纳米片催化苯与甲醇高效烷基化
基于上述问题，大连理工大学郭新闻教授课题组与大连理工大学任利敏研究员、马萨诸塞大学阿默斯特分校Fan Wei教授、阿卜杜拉国王科技大学Han Yu教授等课题组合作，在ACS Catalysis发表题为“b-Axis-Oriented ZSM-5 Nanosheets for Efficient Alkylation of Benzene with Methanol: Synergy of Acid Sites and Diffusion”的研究论文。该工作在前期合成b轴厚度可控的ZSM-5沸石纳米片的基础上（Chem. Mater.2022, 34, 3217–3226），系统研究了厚度为30、100和300nm 的ZSM-5纳米片在苯与甲醇烷基化反应中的性能差异，并深入探索了30 nm厚的沸石纳米片高转化率以及高选择性的原因，揭示了扩散性能与酸性质的协同作用对反应性能的影响机制。在此基础上，进一步通过预积碳（后处理）和引入杂原子Ga（原位合成）策略来优化催化剂酸性，在抑制副产物乙苯生成（<0.3%) 的同时仍能保持长周期运转（>300 h)。
图2 不同b轴厚度ZSM-5纳米片的苯与甲醇烷基化性能
图3 ZSM-5纳米片的扩散（左）和酸性（右）对乙苯选择性的影响机制
该工作凸显了ZSM-5纳米片的显著优势，因为b轴厚度（直通道方向）的缩短不仅可以提高催化剂的扩散性能、同时还表现出更多的酸位点暴露度、更少量的骨架缺陷以及更高的容焦能力等优点。在催化裂化（Chem. Mater.2022, 34, 3217–3226），甲醇制汽油(Ind. Eng. Chem. Res.2022, 61, 6322−6332) ，乙烷与苯烷基化（Fuel2023, 342, 127764）等多种催化反应中均表现出优异的催化性能。我们有理由相信，MFI纳米片是极具工业应用前景的沸石材料，尤其是在受扩散限制的催化反应中。此外，涉及到高温、有水参与或生成的反应中，其低含量缺陷位点所带来的高水热稳定性的优势也能发挥重要作用。
论文第一作者为大连理工大学化工学院博士生张嘉兴，共同通讯作者为化工学院张安峰副教授、郭新闻教授和张大煜学院任利敏研究员。工作得到了辽宁省兴辽英才高水平创新团队，新疆维吾尔自治区重点研发计划项目，以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00001
来源：大连理工大学
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