近日,清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)借鑒“分子開關(guān)”價(jià)鍵可逆轉(zhuǎn)變特性,在內(nèi)核為強(qiáng)酸性Zn/ZSM-5,外表面為弱酸性SiO2層的催化劑中,引入氧化鐵物種,制備了一種氧化鐵與鐵單質(zhì)間具有“氧化還原”分子開關(guān)效應(yīng)的催化劑。該催化劑用于甲醇制對(duì)二甲苯(PX)的高溫多相催化反應(yīng),PX總收率達(dá)到了59.9%。相關(guān)研究成果發(fā)表于《碳未來》雜志。

甲醇一步法轉(zhuǎn)變成PX是國(guó)際催化界與產(chǎn)業(yè)界研究熱點(diǎn)。由于多種復(fù)雜酸性位催化的競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)(包括烷基化、脫烷基化、外表面異構(gòu)化、中間體氫轉(zhuǎn)移等)的影響,單程轉(zhuǎn)化的PX收率很難突破13%,只能得到大量的苯、甲苯、間二甲苯(MX)、鄰二甲苯(OX)、多烷基苯(C9及C9+)與PX混合物。

該研究團(tuán)隊(duì)基于分子篩酸種類(B酸與L酸)與酸量可通過與金屬氧化物的結(jié)合調(diào)控,先把鋅物種浸漬在ZSM-5上,再浸漬氧化鐵物種,最后進(jìn)行外表面包覆SiO2層,通過干燥與焙燒制得催化劑。將甲醇通入反應(yīng)器中,在475 ℃、常壓的條件下,可轉(zhuǎn)化生成芳烴、水、氣態(tài)烴的混合物。隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),FeO物種含量逐漸減少,單質(zhì)鐵物種含量逐漸增加。催化劑再生后,上述物種的含量變化趨勢(shì)相反。證明該催化劑具有“氧化還原”開關(guān)效應(yīng)。

在反應(yīng)過程中,初始催化劑上的氧化鐵還原為鐵單質(zhì),PX收率達(dá)到59.9%。隨著還原程度加深及催化劑積炭失活,PX收率迅速下降。將催化劑含氧再生,去積炭且將鐵單質(zhì)氧化,再用于反應(yīng)時(shí),PX收率上升。在連續(xù)反應(yīng)-催化劑再生的16個(gè)循環(huán)(約80 h)中,該變化規(guī)律始終存在,證明該催化劑既調(diào)變酸種類,又調(diào)變酸量的有效性,所得PX收率平均值遠(yuǎn)高于以前報(bào)道。

該研究可為高價(jià)值化學(xué)品PX收率調(diào)控提供新的思路。