Direct Synthesis of para-Xylene from CO2 Hydrogenation with a Record-High Space-Time Yield

化学 异构化 产量(工程) 芳构化 沸石 烯烃纤维 空间速度 烷基化 二甲苯 选择性 ZSM-5型 化学工程 物理化学 有机化学 催化作用 热力学 甲苯 物理 工程类
作者
Lijun Zhang,Teng Li,Wenjie Xiang,Zhiwei Ye,Luyao Wu,Wei Xia,Hao Huang,Zhihao Liu,Xiuyun Jiang,Guangbo Liu,Zhiliang Jin,Weizhe Gao,Hongliang Li,Jie Zeng,Noritatsu Tsubaki
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (28): 24442-24450 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03380
摘要

The direct synthesis of para-xylene (p-X) from CO2 hydrogenation with high space-time yield (STY) remains a significant challenge due to two primary limitations: the Anderson-Schulz-Flory distribution, which restricts the C8 selectivity to ∼6.8 C%, and the thermodynamic equilibrium, which confines the p-X content among xylene isomers to 15-25%. Herein, we report a composite catalyst, K-FeMn/Hollow ZSM-5, that enables the efficient hydrogenation of CO2 to p-X by integrating two synergistic catalytic functions. The K-FeMn component facilitates the reverse water-gas shift reaction and Fischer-Tropsch synthesis to olefin processes, generating light olefin intermediates. These intermediates are subsequently transformed to p-X within the hollow ZSM-5 zeolite through oligomerization, cyclization, and aromatization. The hollow ZSM-5 features a suitable pore size to facilitate p-X diffusion only, while its passivated external acid sites effectively suppress isomerization and alkylation of p-X outside the zeolite. As a result, the K-FeMn/Hollow ZSM-5 catalyst achieves a p-X STY of 41.7 g kgcat-1 h-1 at a CO2 conversion of 46.1%, surpassing all previously reported values. This work demonstrates a novel approach to overcome the local thermodynamic equilibria by specific catalyst design and the spatial separation of processes toward CO2 hydrogenation into p-X.
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