Tandem methanolysis and catalytic transfer hydrogenolysis of polyethylene terephthalate to p-xylene over Cu/ZnZrOx catalysts

氢解 催化作用 脱氢 甲醇 化学 对苯二甲酸二甲酯 聚对苯二甲酸乙二醇酯 高分子化学 光化学 有机化学 材料科学 复合材料
作者
Ryan Helmer,Siddhesh S. Borkar,Aojie Li,Fatima Mahnaz,Jenna Vito,Michelle Bishop,Ashfaq Iftakher,M. M. Faruque Hasan,Srinivas Rangarajan,Manish Shetty
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-fdgq5
摘要

We demonstrate a novel approach of utilizing methanol (CH3OH) for both the methanolysis of polyethylene terephthalate (PET) to form dimethyl terephthalate (DMT) at near-quantitative yields (~97%) and catalytic transfer hydrogenolysis (CTH) of DMT to p-xylene (PX, ~63% at 240 °C and 16 h) on a reducible ZnZrOx supported Cu catalyst (i.e., Cu/ZnZrOx). Pre- and post-reaction surface and bulk characterization, along with density functional theory (DFT) computations, explicate the role of the metal-support interface of Cu/ZnZrOx in providing active sites for the activation of both CH3OH and DMT and facilitating a lower free-energy pathway for both CH3OH dehydrogenation and DMT hydrogenolysis, compared to Cu supported on redox-neutral SiO2 support. DFT calculations further reveal that the rate-determining step for CTH of DMT is the cleavage of the C-O linkages in –(C=O)-OR) of DMT. Loading studies and thermodynamic calculations showed that, under reaction conditions, CH3OH in the gas phase, rather than in the liquid phase, is critical for CTH of DMT. Interestingly, the Cu/ZnZrOx catalyst was also effective for the methanolysis and hydrogenolysis of C-C bonds (compared to C-O bonds for PET) of waste polycarbonate (PC), largely forming xylenol (~38%) and methyl isopropyl anisole (~42%) demonstrating the versatility of this approach toward valorizing a wide range of condensation polymers.
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