CO2 hydrogenation toward toluene methylation for selective para-xylene synthesis

甲苯 歧化 化学 催化作用 串联 选择性 有机化学 甲醛 组合化学 甲基化 正硅酸乙酯 布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 生物催化 醛 路易斯酸 化学选择性 碳纤维
作者
Junqi Tian,Yongjie Xi,Jianian Cheng,Jieyun Zhang,Hao Wang,Fujun Ren,Jun Yuan,Changxin He,Hongfang Yang,Chengyuan Liu,Zelong Li,C Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 967-967 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41467-025-67695-4
摘要

The selective production of high-value para-xylene (PX) through CO2 hydrogenation-coupled toluene methylation represents a promising strategy for sustainable carbon utilization. Herein, we report a ZnZrOx & HMCM-22 tandem catalyst that integrates CO2 hydrogenation with shape-selective toluene methylation. The optimized catalyst achieves 91% xylene selectivity with 70.4% PX dominance at 10.3% toluene conversion. Controlled tetraethyl orthosilicate (TEOS) deposition passivates Brønsted acid sites in HMCM-22 supercages, suppressing toluene disproportionation while preserving methylation activity in sinusoidal channels. Mechanistic studies reveal that formaldehyde species, generated on ZnZrOx and transferred to HMCM-22, act as kinetically favored methylating intermediates, enabling direct coupling between CO2 hydrogenation and toluene methylation. This pathway outperforms conventional methanol-mediated routes in both activity and selectivity. Our work establishes a dual-optimization strategy—zeolite microenvironment engineering and reactive intermediate control—offering mechanistic insights and design principles for high-performance tandem catalysis in carbon recycling aromatic synthesis. The selective production of para-xylene via CO₂ hydrogenation coupled with toluene methylation offers a promising route for sustainable carbon utilization. Here, the authors introduce a tandem catalyst that combines efficient CO₂ hydrogenation with shape-selective toluene methylation, achieving 91% xylene selectivity at a toluene conversion of 10.3%.
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