Ethylene Dehydroaromatization over Ga‐ZSM‐5 Catalysts: Nature and Role of Gallium Speciation

杂原子 沸石 路易斯酸 催化作用 双功能 ZSM-5型 芳构化 化学 密度泛函理论 选择性 布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 乙烯 组合化学 有机化学 计算化学 戒指(化学)
作者
Yunwen Zhou,Hari Thirumalai,Scott K. Smith,Kenton H. Whitmire,Jing Liu,Anatoly I. Frenkel,Lars C. Grabow,Jeffrey D. Rimer
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:59 (44): 19592-19601 被引量:59
标识
DOI:10.1002/anie.202007147
摘要

Abstract Bifunctional catalysis in zeolites possessing both Brønsted and Lewis acid sites offers unique opportunities to tailor shape selectivity and enhance catalyst performance. Here, we examine the impact of framework and extra‐framework gallium species on enriched aromatics production in zeolite ZSM‐5. We compare three distinct methods of preparing Ga‐ZSM‐5 and reveal direct (single step) synthesis leads to optimal catalysts compared to post‐synthesis methods. Using a combination of state‐of‐the‐art characterization, catalyst testing, and density functional theory calculations, we show that Ga Lewis acid sites strongly favor aromatization. Our findings also suggest Ga(framework)–Ga(extra‐framework) pairings, which can only be achieved in materials prepared by direct synthesis, are the most energetically favorable sites for reaction pathways leading to aromatics. Calculated acid site exchange energies between extra‐framework Ga at framework sites comprised of either Al or Ga reveal a site‐specific preference for stabilizing Lewis acids, which is qualitatively consistent with experimental measurements. These findings indicate the possibility of tailoring Lewis acid siting by the placement of Ga heteroatoms at distinct tetrahedral sites in the zeolite framework, which can have a marked impact on catalyst performance relative to conventional H‐ZSM‐5.
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