Regulating the Atypical Brønsted Acidity of Zr-SBA-16 Catalysts for Selective Ethanol Conversion to Butene-Rich C 3+ Olefins

化学 催化作用 分子筛 乙醇 选择性 乙醛 脱水 烯烃纤维 乙醇燃料 无机化学 有机化学 沸石 乙烯 分子 金属 多相催化 路易斯酸 脱水反应 组合化学 偶联反应
作者
Gan Yu,Wen Zhao,Hao Zeng,Chengsheng Yang,Yanran Cui,Lei Nie,Zhenglong Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 2857-2866
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c10236
摘要

Lewis-acid molecular sieves are essential catalysts for transforming biomass-derived platform molecules into valuable chemicals. However, the Brønsted acidity arising from incorporated Lewis metals has been rarely reported and remains poorly understood. Using Zr-SBA-16 as a model catalyst, we discovered that the open site Zr centers ((Si–O) 3 –Zr–OH) exhibit an atypical Brønsted acidity, distinct from the conventional Brønsted acidity arising from Al atoms in the Si–OH–Al framework of zeolites. In a model reaction of ethanol conversion to butenes, these unique Zr centers concurrently catalyze the dehydration of ethanol and promote the C–C coupling of acetaldehyde. Upon selective poisoning with potassium acetate, these open site Zr species were converted into enclosed (Si–O) 3 -Zr-OK configuration, which suppressed both ethanol dehydration and acetaldehyde C–C coupling activities. Thus, an optimum level of potassium doping was found to achieve the balance of ethanol dehydration and C–C coupling activity. With this, 85% C 3+ olefin selectivity at ∼98% ethanol conversion was achieved over the Cu-loaded Zr-SBA-16 catalyst in ethanol upgrading to butene-rich C 3+ olefins. The discovery of the Brønsted acidity over Zr-SBA-16 provides a new perspective on the acidity of heteroatom-incorporated molecular sieve materials.
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