Un commutateur moléculaire, ou une molécule qui change en réponse à des stimuli environnementaux variables, a réussi à modifier l’acidité d’un catalyseur zéolitique pour améliorer le rendement en paraxylène du méthanol dans une catalyse hétérogène, ou une réaction dans laquelle le catalyseur, ou une molécule qui facilite une réaction chimique , et les réactifs sont dans différentes phases, telles que liquide et solide.
Une étude récente démontre que les commutateurs moléculaires peuvent modifier avec succès l’état rédox, ou la charge, des catalyseurs de réaction modérément acides afin d’améliorer l’activité du catalyseur, la sélectivité des produits et le rendement de la réaction.
Une équipe d’ingénieurs chimistes a récemment amélioré le rendement en paraxylène (PX) du méthanol d’environ trois à six fois en utilisant un commutateur rédox moléculaire à base de fer conçu pour modifier l’acidité d’un ZSM-5 (Zeolite Socony Mobil-5) hétérogène. catalyseur. Dans cette réaction, les chercheurs ont créé du PX via le processus méthanol-aromatique (MTA) tout en incorporant un commutateur redox à base de fer pour régler l’acidité du catalyseur à base de zéolite, réduire les réactions secondaires et améliorer le rendement global de la réaction.
L’équipe a publié les résultats de leur étude dans la revue L’avenir du carbone.
« Un catalyseur à base de zéolite avec [moderate] l’acidité est [paramount] obtenir[ing] [a] rendement élevé de paraxylène à partir du méthanol », a déclaré Weizhong Qian, chercheur principal de l’étude et professeur au département de génie chimique de l’université Tsinghua de Pékin, en Chine, et au laboratoire Ordos en Mongolie intérieure, en Chine.
« Mais la réduction pure de la réaction (du méthanol en composés aromatiques) a abouti à [the gradual decrease] de l’acidité du catalyseur et la diminution du rendement en paraxylène. [R]Les commutateurs edox sont nécessaires pour récupérer l’acidité », a déclaré Qian.
L’équipe de Qian a choisi le commutateur moléculaire redox d’oxyde de fer pour affiner l’acidité du catalyseur à base de zéolite en fonction de sa capacité à modifier facilement les conditions de réaction : les conditions réductrices, par exemple, convertissent le méthanol en PX, tandis que les conditions oxydatives régénèrent le catalyseur de réaction. L’état rédox du commutateur de fer était contrôlé par les hydrocarbures ou le H2 existant dans les conditions de réaction et par l’ajout d’air à la réaction pour créer des conditions oxydantes.
L’équipe a effectué un total de 16 cycles de régénération du catalyseur de réaction pour déterminer la stabilité du commutateur moléculaire et l’efficacité de la réaction. Les produits de chaque réaction ont été déterminés par chromatographie en phase gazeuse à différents moments de la réaction.
En fin de compte, le commutateur redox à base de fer a démontré sa stabilité lors de 16 cycles de régénération sur une période de 80 heures. L’utilisation du commutateur moléculaire pour régler l’acidité du catalyseur a amélioré le rendement global trois à six fois supérieur à celui des réactions MTA précédemment rapportées et cinq à dix fois supérieur à celui du reformage catalytique des réactions de naphta, qui est le principal moyen de production du PX aujourd’hui.
« Il reste du paraxylène[s]… l’aromatique le plus important [compound in the preparation of] fibres synthétiques, [such as PET, of which over 60 million tons are produced each year]pour le tissu[ing production]. Mais sa préparation est généralement d’une faible efficacité, [requiring] forte consommation d’énergie [and] réactions à longue chaîne et voies de séparation. [This] est hautement indésirable à l’ère de la neutralité carbone », a déclaré Qian.
Alors que les commutateurs moléculaires ont été fréquemment utilisés dans d’autres domaines, tels que l’informatique et la biologie moléculaire, ils sont moins souvent utilisés en génie chimique pour régénérer des catalyseurs. Cette recherche pourrait faire progresser l’utilisation de commutateurs redox pour améliorer l’efficacité d’autres réactions chimiques.
Dans une prochaine étape, l’équipe souhaite améliorer la stabilité du catalyseur de réaction. Dans l’ensemble, l’équipe de recherche aspire à produire du PX de la manière la plus efficace possible en termes de temps, d’énergie et de coût. « L’objectif ultime sera la production directe de paraxylène de haute pureté et à haut rendement à partir de méthanol, [without the requirement of the] complexe aromatique, l’unité la plus énergivore du [process] de reformage catalytique du naphta pour produire du paraxylène », a déclaré Qian.
Plus d’information:
Qiongfang Hu et al, « Commutateurs Redox » d’espèces Fe sur des catalyseurs zéolitiques : modulation de l’acidité et du rendement en para-xylène à partir du méthanol, L’avenir du carbone (2023). DOI : 10.26599/CF.2023.9200001 www.sciopen.com/article/10.26599/CF.2023.9200001
Fourni par Tsinghua University Press