Cascade Reaction of Ethanol to Butadiene over Multifunctional Silica-Supported Ag and ZrO2 Catalysts

催化作用 1,3-丁二烯 脱氢 乙醇 乙醛 选择性 红外光谱学 化学 石脑油 有机化学 材料科学 无机化学
作者
Naomi Miyake,Gordon Brezicki,Robert J. Davis,Naomi Miyake,Gordon Brezicki,Robert J. Davis
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (2): 1020-1035 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c07459
摘要

Although butadiene is currently a by-product of naphtha cracking, interest in producing butadiene from bio-based ethanol has increased because of the lower environmental impact of the ethanol to butadiene reaction. Furthermore, this work explores a multifunctional catalyst system composed of silica-supported Ag and ZrO<sub>2</sub> used for the cascade reaction of ethanol to butadiene at 573 K. The Ag and ZrO<sub>2</sub> components were synthesized on separate support particles enabling characterization of each component without interference from the other. High selectivity to butadiene (65%) at high ethanol conversion (75%) was achieved with an appropriate ratio of Ag and ZrO<sub>2</sub> in the reactor. Silver catalyzed the initial dehydrogenation of ethanol to acetaldehyde while ZrO<sub>2</sub> catalyzed the C-C coupling and subsequent dehydration reactions. The silica-supported ZrO<sub>2</sub> exhibited superior selectivity relative to bulk ZrO<sub>2</sub> in the Ag-promoted ethanol to butadiene reaction. Results from Zr K-edge X-ray absorption spectroscopy and UV-Vis spectroscopy showed that ZrO<sub>2</sub> was highly dispersed on the silica support over a range of loadings. Infrared spectroscopy of adsorbed pyridine, CO, and CO<sub>2</sub>, and kinetics of probe reactions 1-butene double bond isomerization, 2-propanol decomposition, and ethanol hydrogenation of acetone were used to compare the acid-base nature and chemical reactivity of silica-supported ZrO<sub>2</sub> to bulk ZrO<sub>2</sub>.
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