Elemental zoning enhances mass transport in zeolite catalysts for methanol to hydrocarbons

沸石 催化作用 甲醇 化学工程 ZSM-5型 碳氢化合物 扩散 化学 无机化学 材料科学 有机化学 热力学 物理 工程类
作者
Thuy T. Le,Wei Qin,Ankur Agarwal,Nikolaos Nikolopoulos,Donglong Fu,Matthew Patton,Conan Weiland,Simon R. Bare,Jeremy C. Palmer,Bert M. Weckhuysen,Jeffrey D. Rimer
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:6 (3): 254-265 被引量:61
标识
DOI:10.1038/s41929-023-00927-2
摘要

Mass transport limitations in zeolite catalysts pose major hurdles for their optimal performance in diverse chemical reactions. Most approaches to reduce these restrictions focus on the synthesis of either hierarchical or nanosized zeolites. Here we demonstrate that the existence of a siliceous, catalytically inactive exterior rim on ZSM-5 particles dramatically reduces the diffusion limitations, which leads to an enhanced catalyst lifetime for the methanol-to-hydrocarbon reaction. Our findings reveal that binary inorganic and organic structure-directing agents enable a one-pot synthesis of Si-zoned ZSM-5 catalysts with diffusion properties that are characteristic of particles with a much smaller size. Operando ultraviolet–visible light diffuse reflectance spectroscopy reveals a marked reduction in external coking among Si-zoned samples. Molecular dynamics simulations to assess the diffusion of methanol and benzene in siliceous pores and in those with Brønsted acids reveal substantially reduced transport limitations in zoned regions, consistent with the improved catalyst activity of Si-zoned zeolites relative to that of ZSM-5 with a homogeneous acid-site distribution. To overcome mass transport limitations in zeolite-catalysed reactions, scientists must often resort to hierarchical or nanosized zeolites; however, the synthesis of such materials remains challenging. Here the authors disclose a one-pot method for the preparation of Si-zoned MFI-type catalysts with improved diffusion properties for the methanol-to hydrocarbon reaction.
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