Hydrothermally Stable and Regenerable Molybdenum-Zeolite Catalysts for Nonoxidative Conversion of Methane to Dihydrogen and Ethene

催化作用 甲烷 微晶 无机化学 密度泛函理论 化学 热液循环 材料科学 甲烷厌氧氧化 透射电子显微镜 化学工程 降级(电信) 多相催化 反应机理 扩散 氧气 诱导期
作者
Ángel N. Santiago-Colón,Hien N. Pham,Abdul G. F. Alabi,David Hibbitts,Abhaya K. Datye,Rajamani Gounder
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (20): 17568-17580 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c04775
摘要

Designing Mo-zeolite catalysts that retain structural stability over many reaction–regeneration cycles is a challenge in developing practical methane dehydroaromatization (DHA) routes to produce dihydrogen, ethene, and aromatics. Mo-MFI zeolites typically used for methane DHA irreversibly deactivate during regeneration due to framework dealumination and structural degradation. Here, we synthesize Mo supported on small-pore zeolites (e.g., CHA, AEI, RTH), which are more durable than MFI under hydrothermal aging conditions (>823 K, >2 kPa H2O). Methane DHA forms H2 and ethene at equivalent rates on Mo-CHA and Mo-MFI. Benzene formation rates (per Mo) increase with decreasing crystallite size, indicating that rates are intracrystalline-diffusion limited in CHA frameworks, consistent with density functional theory (DFT) estimates of benzene diffusion barriers in CHA 8-membered ring (8-MR) windows. Initial DHA rates (per Mo) remain invariant on Mo-CHA after successive reaction–regeneration cycles (>10), supported by high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and quantitative site characterization data showing minimal site or structural degradation on Mo-CHA, in sharp contrast to the systematic decrease in rates and structural degradation observed on Mo-MFI. This work reports materials that can be fully regenerable under potential industrial conditions and provides structure–function relations between catalyst properties and DHA rates, selectivity, and long-term stability.
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