Hohlraum

Oct 23, 2023

Science China Press

Bild: Die eingeschlossenen Reaktionszwischenprodukte und Koksspezies in der Mikroumgebung des Zeolithhohlraums, die bevorzugten Reaktionswege im komplexen Reaktionsnetzwerk, die Katalysatordesaktivierung und die Moleküldiffusion verbinden sich zu einer im Hohlraum kontrollierten Methanolumwandlung und treiben die dynamische Entwicklung der MTO-Reaktion voran.mehr sehen

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Das Methanol-zu-Olefin-Verfahren (MTO), ein innovativer und effizienter Weg zur Olefinproduktion über nicht-petrochemische Ressourcen, hat eine erfolgreiche Entwicklung und Anwendung in der Industrie erzielt und die Aufmerksamkeit der C1-Chemie und der Zeolithkatalyse in der Grundlagenforschung auf sich gezogen. Das Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) hat die DMTO-Technologie entwickelt, mit der Olefine aus Kohle durch Methanol hergestellt werden können. Sie hat beachtliche Erfolge bei der Wirtschaftsleistung und der technologischen Innovation erzielt und eine neue Ära der nachhaltigen Olefinherstellung aus Nicht-Öl-Ressourcen eingeläutet. Seitdem hat DICP die zweite und dritte Generation des DMTO-Verfahrens (DMTO-II und DMTO-III) entwickelt, die zu wichtigen Routen für die Produktion von Ethen und Propen in China werden. Um die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit der aufstrebenden Kohlechemieindustrie aufrechtzuerhalten, muss das umfassende und tiefgreifende Verständnis der Grundlagen und selektiven Kontrollprinzipien des katalytischen Reaktionsprozesses kontinuierlich vertieft werden, um die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien und Prozesstechniken zu unterstützen.

Molekularsiebkatalysatoren, insbesondere für Zeolithe vom Hohlraumtyp mit kleiner Porenöffnung und der komplexen Mikroumgebung, in die die Hohlraumstruktur eingebettet ist, haben nachweisbare Merkmale und Vorteile in der Formselektivität der MTO-Reaktion gezeigt. Diese komplexe katalytische Umgebung verursachte große Unterschiede in der Produktverteilung, der Katalysatordeaktivierung und der molekularen Diffusion und zeigte die hohlraumgesteuerte Methanolumwandlung über einen achtgliedrigen Ring (8-MR) und einen Zeolithkatalysator vom Hohlraumtyp.

In der kürzlich im National Science Review veröffentlichten Übersicht schreibt das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. LIU Zhongmin und WEI Yingxu (vom National Engineering Research Center of Lower-Carbon Catalysis Technology, DICP, CAS) fassten das hohlraumkontrollierte Prinzip in der Methanol-zu-Olefin-Reaktion zusammen. Das Hohlraum-kontrollierte Reaktionsverhalten der Methanolumwandlung, die Hohlraum-kontrollierte Bildung der Kohlenwasserstoff-Pool-Spezies und der Reaktionsweg, das Hohlraum-kontrollierte Katalysatordeaktivierungs- und Diffusionsverhalten sowie die inspirierten kontrollierten Strategien werden wie folgt besprochen.

Hohlraumgesteuertes MTO-Reaktionsverhalten : Hohlraumstruktur und -größe steuern direkt die Produktverteilung, die Katalysatordesaktivierung und die molekulare Diffusion. Die Autoren überprüften die Unterschiede im Reaktionsverhalten und der Produktverteilung bei der Methanolumwandlung, die durch typische 8-MR- und Hohlraum-Zeolithkatalysatoren mit ähnlicher Porengröße, aber unterschiedlicher Hohlraumstruktur katalysiert wird. Das Verständnis des hohlraumkontrollierten MTO-Reaktionsverhaltens würde zur Etablierung der Formselektivität von Zeolithmaterialien beitragen.

Hohlraumkontrollierte Reaktionszwischenprodukte und Reaktionswege : Die spezielle katalytische Mikroumgebung von Zeolith vom Hohlraumtyp variiert die Reaktionszwischenprodukte und Reaktionswege im MTO-Reaktionsprozess. Diese spezielle katalytische Mikroumgebung treibt die dynamische Entwicklung der MTO-Reaktion voran. Die Autoren erläuterten den hohlraumkontrollierten Effekt der Erzeugung von Kohlenwasserstoff-Pool-Spezies und den vorherrschenden Reaktionsweg der Olefinbildung im komplexen Reaktionsnetzwerk.

Hohlraumkontrollierte Koksbildung und Katalysatordesaktivierung : Die Autoren fassten den Ablagerungs- und Deaktivierungsmodus der Koksspezies in SAPO-34 zusammen, einschließlich der Entdeckung von Adamantanspezies bei niedriger Temperatur, der Identifizierung wichtiger Vorläufer während der Entwicklung von Polymethylbenzol zu Polymethylnaphthalin und des vorgeschlagenen Mechanismus des Käfig-Passier-Wachstumsmodus von polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Anschließend wurden die Unterschiede in den Koksspezies und Desaktivierungsmechanismen von Zeolithkatalysatoren mit unterschiedlicher Hohlraumstruktur diskutiert.

Hohlraumkontrollierte Diffusion : Die Autoren beschrieben das Diffusionsverhalten von Zeolithen vom Hohlraumtyp, korrelierten die Rolle der Hohlraumstruktur und der Porengröße bei der Diffusion und enthüllten dann den Diffusionsmechanismus von Zeolithen vom Hohlraumtyp. Darüber hinaus fasst die Übersicht die Diffusion von Molekülen in sauren Hohlräumen mit eingeschlossenen organischen Spezies zusammen und weist auf die Notwendigkeit hin, Diffusions- und Reaktionsstudien zu koppeln.

In Kombination mit den multiskaligen und dynamischen Eigenschaften von Reaktions- und katalytischen Materialien in der MTO-Reaktion schlugen die Autoren schließlich den Cross-Talk-Mechanismus von Katalysatormaterial (Koks)-Reaktion-Diffusion vor, um die tatsächliche formselektive Katalyse mit interaktiven Verhaltensweisen und Mechanismen aufzudecken in Hohlraumtyp-Zeolith-katalysierten MTO-Reaktionen. Sie wiesen darauf hin, dass der Schlüssel zur Entwicklung formselektiver Katalysatoren und zur Erzielung eines effizienten Prozesses darin besteht, die beste räumlich-zeitliche Koordination im Reaktionssystem durch gegenseitiges Echo, gegenseitige Modifikation und gegenseitige Führung zwischen Katalysatormaterialien (modifiziert durch Koksentwicklung), Reaktion usw. zu etablieren Diffusion. Basierend auf dem Verständnis des hohlraumkontrollierten Prinzips wurden verschiedene Kontrollstrategien zusammengefasst, wie z. B. die Modifikation des Hohlraums und des Säuregehalts von Zeolithkatalysatoren, die Vorverkokung des frischen Katalysators und die teilweise Regeneration des verkokten Katalysators. Zukünftig wird die technische Innovation des MTO-Verfahrens eine genaue Kontrolle der Reaktion, Koksbildung und Diffusion in der Mikroumgebung des begrenzten Hohlraums erfordern, um eine verbesserte Katalysatorstabilität und Produktselektivität im industriellen Prozess zu erreichen.

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Siehe den Artikel:

Hohlraumkontrollierte Methanolumwandlung über Zeolithkatalysatoren

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad120

National Science Review

10.1093/nsr/nwad120

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