Hierarchical Nanosized ZSM-5 for Enhanced Selectivity of Para-Xylene in the Alkylation of Toluene with Methanol: Synergy of External Acid Sites and Diffusion

甲苯 烷基化 甲醇 ZSM-5型 选择性 催化作用 化学 二甲苯 扩散 对二甲苯 沸石 无机化学 有机化学 化学工程 工程类 物理 热力学
作者
X. Zhang,He Han,Jiaxing Zhang,Bangjian Liu,Chunshan Song,Limin Ren,Anfeng Zhang,Xinwen Guo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (13): 11047-11061 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c01359
摘要

Alkylation of toluene with methanol to produce para-xylene using ZSM-5 zeolite is a critical shape selectivity process for enhancing the selectivity of para-xylene, a key intermediate in poly(ethylene terephthalate) (PET) production. In this work, we synthesized ZSM-5 zeolites with varying crystal sizes and subjected them to different posttreatment methods (alkaline or steaming treatments) to optimize their catalytic performance. Our results demonstrate that modifications in the crystal size and surface treatments significantly influence the number of external acid sites and diffusion characteristics of the zeolites, thereby affecting para-xylene selectivity. The reduced number of external acid sites and enhanced diffusion properties in hierarchical nanosized ZSM-5 zeolite enhance para-xylene selectivity. Specifically, a para-xylene selectivity exceeding 98.0%, with a 5-fold increase in catalyst stability compared to conventional micron-sized zeolites and a long-term stable operation (>135 h), can be achieved by high-concentration alkaline treatment, which disrupts the intersectional channels, facilitating the timely diffusion of para-xylene generated from straight and/or sinusoidal channels. This study demonstrates the potential of hierarchical nanosized ZSM-5 zeolites in achieving high selectivity and stability in para-xylene production, offering a promising approach to meet the growing industrial demand efficiently.
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