Preparation of Cu-based Hierarchical Pore ZSM-5 Zeolite Single Crystals and Their Catalytic Properties for Nitrobenzene Hydrogenation

doi:10.7503/cjcu20230109

Abstract

Abstract:

In order to solve the problem of irreversible damage of zeolite framework in the process of intracrystalline hierarchically porous creation， a single crystal of silica-alumina zeolite ZSM-5（OMMS-ZSM-5） with hierarchically ordered macro-meso-microporous structure was successfully bottom-up in situ synthesized by using ordered macro- mesomicroporous carbon with anti-opal structure as a hard template， which possesses high external specific surface area（195.8 m²/g） and pore volume（0.27 cm³/g）. In addition， a series of Cu-OMMS-ZSM-5 catalysts with different Cu loadings（mass fraction： 1%， 5%， 10%） was prepared by impregnation method using OMMS-ZSM-5 as a carrier to investigate the catalytic ability of different metal loading catalysts in the liquid-phase hydrogenation reaction of nitrobenzene. The physical and chemical properties of the prepared catalysts were comprehensively characterized by SEM， TEM， XRD， NMR， N₂adsorption-desorption， NH₃-TPD， XPS and H₂-TPR tests， which shows that the Cu elements are highly dispersed in the form of CuO， and the conversion of nitrobenzene reaches up to 96.8% and the selectivity of aniline reaches 99.3% when the loading is 9.58%（mass fraction）. Compared with the Cu-based micron ZSM-5 zeolite catalytic material， the aniline selectivity and the nitrobenzene conversion of Cu-OMMS-ZSM-5 are improved by 32.4% and 26.1%， respectively， and the high catalytic activity is maintained after three cycles.

Key words: Hierarchically porous zeolite, Cu-ZSM-5, Nitrobenzene hydrogenation, Aniline

CLC Number:

O643

TrendMD:

XIE Xiaolan, LIU Zhan, LYU Jiamin, YU Shen, LI Xiaoyun, SU Baolian, CHEN Lihua. Preparation of Cu-based Hierarchical Pore ZSM-5 Zeolite Single Crystals and Their Catalytic Properties for Nitrobenzene Hydrogenation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230109.

Figures/Tables 7

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Sample	S_BET/（m²·g^-1）	S_micro/（m²·g^-1）	S_meso/（m²·g^-1）	V_p/（cm³·g^-1）	V_micro/（cm³·g^-1）	Cu content（%）	Si/Al molar ratio
OMMS⁃ZSM⁃5	362.4	166.6	195.8	0.27	0.16	0	93
1%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	348.1	160.2	187.8	0.25	0.14	1.17	95
5%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	334.4	159.6	174.8	0.21	0.10	5.28	99
10%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	321.2	154.8	166.4	0.18	0.09	9.58	97

Sample	S_BET/（m²·g^-1）	S_micro/（m²·g^-1）	S_meso/（m²·g^-1）	V_p/（cm³·g^-1）	V_micro/（cm³·g^-1）	Cu content（%）	Si/Al molar ratio
OMMS⁃ZSM⁃5	362.4	166.6	195.8	0.27	0.16	0	93
1%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	348.1	160.2	187.8	0.25	0.14	1.17	95
5%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	334.4	159.6	174.8	0.21	0.10	5.28	99
10%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	321.2	154.8	166.4	0.18	0.09	9.58	97

Sample	Temperature/℃		Total acid/（mmol·g^‒1）
Sample	Weak acid	Strong acid	Total acid/（mmol·g^‒1）
OMMS⁃ZSM⁃5	210	421	0.20
1%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	160	510	0.66
5%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	165	500	0.88
10%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	170	495	0.95

Sample	Temperature/℃		Total acid/（mmol·g^‒1）
Sample	Weak acid	Strong acid	Total acid/（mmol·g^‒1）
OMMS⁃ZSM⁃5	210	421	0.20
1%⁃Cu⁃OMMS⁃ZSM⁃5	160	510	0.66
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