催化学报 ›› 2025, Vol. 73: 174-185.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64668-7
庹杰a, 盛振腾a, 龚贤晨a, 杨琪a, 吴鹏a,b(), 徐浩a,b(
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Jie Tuoa, Zhenteng Shenga, Xianchen Gonga, Qi Yanga, Peng Wua,b(), Hao Xua,b(
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摘要:
对二甲苯(PX)作为高附加值化工原料, 在对苯二甲酸及高端聚合物生产领域具有重要应用价值. 近年来, 基于金属氧化物-分子筛双功能催化剂的CO2加氢耦合甲苯甲基化反应为合成二甲苯及PX提供了新策略. 此外, CO2转化为高附加值的芳烃不仅可以实现CO2的减排, 还可以提供一条制备化学品的非石油路线. 然而, 已报道的ZSM-5分子筛与金属氧化物构筑的催化体系反应温度高(> 633 K), 导致能耗高、CO选择性偏高及CO2利用效率低等问题. 因此, 开发新型催化体系以实现低温条件下CO2加氢耦合甲苯甲基化反应, 对提升二甲苯及PX合成效率具有重要意义.
本文使用ZnCeZrOx固溶体与MCM-22分子筛构建了双功能催化体系(ZnCeZrOx/MCM-22)用于催化CO2加氢耦合甲苯甲基化反应. 首先研究了反应温度对ZnCeZrOx/MCM-22催化性能的影响, 在603 K时二甲苯和PX的时空收率(STY)最大, 分别为222.6和49.2 mg·h-1·gcat-1. 在相同反应温度下, 催化性能明显优于ZSM-5分子筛构筑的催化剂, 这是由于MCM-22独特的超笼结构为体积较大的反应中间体提供了更开阔的反应空间. 然而由于PX容易在分子筛外表面发生异构化和深度烷基化反应, 导致PX在二甲苯中的比例(PX/X)仅有24.3%. 因此, 进一步使用化学液相沉积法对MCM-22分子筛进行硅沉积改性. 发现随着正硅酸四乙酯(TEOS)量的增加, 二甲苯选择性从36.0%增加至92.4%, PX/X从24.3%提升至67%, 而三甲苯选择性从59.2%显著降至7.5%. 此外, 随着硅沉积次数的增加, 二甲苯选择性和PX/X也显著增加. 其中, 样品MS13-2显示了最优的催化性能, 二甲苯选择性为92.4%、PX/X值为67%、CO2转化率为7.7%、甲苯转化率为23.6%, 并具有高的STYxylene (302.0 mg·h-1·gcat-1)与STYPX (201.6 mg·h-1·gcat-1). 值得注意的是, 此处反应温度较低, 因此CO选择性仅为11.6%, 明显低于文献报道的其他催化体系. 随后, 对使用不同量TEOS改性的MCM-22分子筛进行了表征(代表样品MCM-22, MS4-2, MS8-2, MS13-2), 研究了催化性能与分子筛结构之间的构效关系. N2/Ar吸脱附曲线证明了随着TEOS用量的增加, MCM-22分子筛的孔径明显减小, 这也许会增加分子筛的择形能力. 进一步使用间二甲苯(MX)作为探针分子, 通过MX脱附红外光谱研究了其在四个样品上的脱附行为. 发现随着TEOS用量的增加, MX的脱附速度明显降低, 证明了硅沉积降低分子筛孔径有效提高了MCM-22的择形选择性. 此外, 本研究还对改性后样品的酸性进行了分析, 大分子2,6-二叔丁基吡啶吸附红外光谱表明, TEOS硅沉积可以有效去除MCM-22分子筛外表面的酸性, 从而抑制了过度烷基化和异构化反应. 此外, 反应后催化剂中有机物分析结果表明硅沉积可以抑制分子筛孔道内积碳前驱体的形成. 最后, 使用原位漫反射红外光谱技术研究了ZnCeZrOx/MS13-2催化剂上的反应中间体, 证明了ZnCeZrOx表面上生成的甲氧基/甲醇为关键中间体, 转移到MCM-22分子筛上发生甲基化反应生成二甲苯和PX.
综上所述, 本研究成功构建了ZnCeZrOx/MCM-22双功能催化体系, 在低温(< 603 K)下高效催化CO2加氢耦合甲苯甲基化制对二甲苯反应. 通过硅沉积改性MCM-22分子筛, 实现了缩小其分子筛孔道尺寸(增强择形效应)及消除表面酸性位(抑制异构化/深度甲基化等副反应)的目的, 进而提升了二甲苯及PX的选择性. 该工作为催化CO2耦合甲苯制对二甲苯提供了新型双功能催化剂.