Ein molekularer Schalter auf Eisenbasis verbessert die Reaktionsausbeute durch Modulation des Säuregehalts des Zeolithkatalysators

Ein molekularer Schalter oder ein Molekül, das sich als Reaktion auf unterschiedliche Umweltreize verändert, hat den Säuregehalt eines Zeolithkatalysators erfolgreich verändert, um die Ausbeute an Paraxylol aus Methanol in der heterogenen Katalyse oder einer Reaktion zu verbessern, bei der der Katalysator oder das Molekül eine chemische Reaktion erleichtert und die Reaktanten befinden sich in verschiedenen Phasen, beispielsweise flüssig und fest.

Eine aktuelle Studie zeigt, dass molekulare Schalter den Redoxzustand oder die Ladung von mäßig sauren Reaktionskatalysatoren erfolgreich modifizieren können, um die Katalysatoraktivität, Produktselektivität und Reaktionsausbeute zu verbessern.

Ein Team von Chemieingenieuren verbesserte kürzlich die Ausbeute an Paraxylol (PX) aus Methanol um etwa das Drei- bis Sechsfache, indem es einen eisenbasierten molekularen Redoxschalter einsetzte, der den Säuregehalt eines ZSM-5-Heterogens (Zeolith Socony Mobil-5) modifizieren soll Katalysator. Bei dieser Reaktion erzeugten die Forscher PX über den Methanol-to-Aromatics (MTA)-Prozess und bauten gleichzeitig einen eisenbasierten Redoxschalter ein, um den Säuregehalt des Zeolith-basierten Katalysators abzustimmen, Nebenreaktionen zu reduzieren und die Gesamtreaktionsausbeute zu verbessern.

Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift Kohlenstoffzukunft.

„Ein Katalysator auf Zeolithbasis mit [moderate] Säure ist [paramount] erhalten[ing] [a] hohe Ausbeute an Paraxylol aus Methanol“, sagte Weizhong Qian, Hauptforscher der Studie und Professor am Department of Chemical Engineering der Tsinghua-Universität in Peking, China, und am Ordos-Labor in der Inneren Mongolei, China.

„Aber eine reine Reduktion der Reaktion (Methanol zu Aromaten) führte dazu.“ [the gradual decrease] des Säuregehalts des Katalysators und die Abnahme der Ausbeute an para-Xylol. [R]„Edox-Schalter sind notwendig, um den Säuregehalt wiederherzustellen“, sagte Qian.

Qians Team entschied sich für den molekularen Eisenoxid-Redoxschalter, um den Säuregehalt des Katalysators auf Zeolithbasis auf der Grundlage seiner Fähigkeit, die Reaktionsbedingungen leicht zu modifizieren, fein abzustimmen: Reduzierende Bedingungen wandeln beispielsweise Methanol in PX um, während oxidative Bedingungen den Reaktionskatalysator regenerieren. Der Redoxzustand des Eisenschalters wurde durch die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen oder H2 in den Reaktionsbedingungen und durch die Zugabe von Luft zur Reaktion zur Schaffung oxidierender Bedingungen gesteuert.

Das Team führte insgesamt 16 Reaktions-Katalysator-Regenerationszyklen durch, um die Stabilität des molekularen Schalters und die Reaktionseffizienz zu bestimmen. Die Produkte jeder Reaktion wurden mittels Gaschromatographie zu verschiedenen Zeitpunkten während der Reaktion bestimmt.

Letztendlich zeigte der eisenbasierte Redoxschalter Stabilität über 16 Regenerationszyklen über einen Zeitraum von 80 Stunden. Die Verwendung des molekularen Schalters zur Abstimmung des Säuregehalts des Katalysators verbesserte die Gesamtausbeute drei- bis sechsmal höher als bei zuvor berichteten MTA-Reaktionen und fünf- bis zehnmal höher als bei der katalytischen Reformierung von Naphtha-Reaktionen, die heute die Hauptmethode für die Herstellung von PX sind.

„Paraxylene bleiben[s]… das wichtigste Aroma [compound in the preparation of] synthetische Fasern, [such as PET, of which over 60 million tons are produced each year]für Stoff[ing production]. Aber seine Herstellung ist typischerweise von geringer Effizienz, [requiring] hoher Energieverbrauch [and] langkettige Reaktions- und Trennwege. [This] „Das ist im Zeitalter der CO2-Neutralität höchst unerwünscht“, sagte Qian.

Während molekulare Schalter in anderen Bereichen wie der Informatik und der Molekularbiologie häufig eingesetzt werden, werden sie in der Chemietechnik seltener zur Regenerierung von Katalysatoren eingesetzt. Diese Forschung könnte den Einsatz von Redoxschaltern vorantreiben, um die Effizienz anderer chemischer Reaktionen zu verbessern.

Als nächsten Schritt möchte das Team die Stabilität des Reaktionskatalysators verbessern. Insgesamt strebt das Forschungsteam danach, PX auf möglichst zeit-, energie- und kosteneffizienteste Weise herzustellen. „Das ultimative Ziel wird die direkte Herstellung von hochreinem Paraxylol mit hoher Ausbeute aus Methanol sein. [without the requirement of the] aromatischer Komplex, die energieintensivste Einheit der Welt [process] der katalytischen Reformierung von Naphtha zur Herstellung von Paraxylol“, sagte Qian.