Synergistic Effects of Hierarchically Interconnected Porous Structure and Fe Modification on Zeolite ZSM-5 for Efficient Benzyl Alcohol Alkylation

doi:10.7503/cjcu20240095

Abstract

Abstract:

Constructing hierarchically porous structures and embedding metal species into zeolite frameworks can effectively enable fast diffusion and synergistic catalysis. We report a one-step synthesis method to synthesize hierarchically macro-meso-microporous zeolite ZSM-5 single crystals containing Fe metal nanoclusters， that has advantages compared to multistep methods such as impregnation and ion exchange. Zeolite ZSM-5-Fe catalysts were prepared by steam assisted crystallization with addition of hierarchically porous carbon template and a Fe precursor. The catalyst was systematically characterized by means of X-ray diffraction（XRD）， ultraviolet-visible spectroscopy （UV-Vis）， H₂-temperature program reduction（H₂-TPR）， and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. The results indicated that the isolated Fe（III） located at ion exchange sites and ferrite octahedron（six-coordinate） were the main redox-active centers. At a loading amount（mass fraction） of 1%， the highest benzyl alcohol conversion rate reached 59.3%， with a product selectivity of 83.2%， and a final yield of 49.3%. The catalyst maintained high catalytic activity even after five cycles， demonstrating its remarkable stability.

Key words: ZSM-5 zeolite, Hierarchical structure, Transition metal Fe, Aromatic alkylation

CLC Number:

O611

TrendMD:

SONG Yuhang, LIU Zhan, LYU Jiamin, YU Shen, LI Xiaoyun, SUN Minghui, CHEN Lihua, SU Baolian. Synergistic Effects of Hierarchically Interconnected Porous Structure and Fe Modification on Zeolite ZSM-5 for Efficient Benzyl Alcohol Alkylation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20240095.

Figures/Tables 12

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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_meso/（cm³·g^-1）	Relative crystallinity（%）	Fe ICP（%）	n（Si）/n（Al） ICP
HZSM⁃5	354.8	176.3	178.2	0.30	0.22	100	0	90
HZSM⁃5⁃0.5%Fe	340.4	184.0	156.4	0.26	0.18	103	0.51	87
HZSM⁃5⁃1%Fe	316.0	182.3	133.7	0.23	0.13	98	0.79	95
HZSM⁃5⁃2%Fe	298.9	182.4	116.5	0.20	0.11	85	1.43	105

Sample	S_BET/（m²·g^-1）	S_micro/（m²·g^-1）	S_meso/（m²·g^-1）	V_p/（cm³·g^-1）	V_meso/（cm³·g^-1）	Relative crystallinity（%）	Fe ICP（%）	n（Si）/n（Al） ICP
HZSM⁃5	354.8	176.3	178.2	0.30	0.22	100	0	90
HZSM⁃5⁃0.5%Fe	340.4	184.0	156.4	0.26	0.18	103	0.51	87
HZSM⁃5⁃1%Fe	316.0	182.3	133.7	0.23	0.13	98	0.79	95
HZSM⁃5⁃2%Fe	298.9	182.4	116.5	0.20	0.11	85	1.43	105

Sample	Temperature peak/℃			Weak acidity ^a /（mmol·g^-1）	Strong acidity ^b /（mmol·g^-1）	Total acidity/（mmol·g^-1）
Sample	Peak A	Peak B	Peak C	Weak acidity ^a /（mmol·g^-1）	Strong acidity ^b /（mmol·g^-1）	Total acidity/（mmol·g^-1）
HZSM⁃5	111.3	176.1	427.8	0.669	0.573	1.940
HZSM⁃5⁃0.5%Fe	118.4	187.0	428.3	0.866	0.548	2.021
HZSM⁃5⁃1%Fe	112.5	173.9	412.4	1.159	0.578	2.346
HZSM⁃5⁃2%Fe	112.6	176.2	407.1	1.004	0.496	2.140

Sample	Temperature peak/℃			Weak acidity ^a /（mmol·g^-1）	Strong acidity ^b /（mmol·g^-1）	Total acidity/（mmol·g^-1）
Sample	Peak A	Peak B	Peak C	Weak acidity ^a /（mmol·g^-1）	Strong acidity ^b /（mmol·g^-1）	Total acidity/（mmol·g^-1）
HZSM⁃5	111.3	176.1	427.8	0.669	0.573	1.940
HZSM⁃5⁃0.5%Fe	118.4	187.0	428.3	0.866	0.548	2.021
HZSM⁃5⁃1%Fe	112.5	173.9	412.4	1.159	0.578	2.346
HZSM⁃5⁃2%Fe	112.6	176.2	407.1	1.004	0.496	2.140

Sample	x_{Fe3+（tet）}（%）	x_{Fe3+（oct）}（%）	x_{Fe3+（tet）}/x_{Fe3+（oct）}	Si NMR
Sample	x_{Fe3+（tet）}（%）	x_{Fe3+（oct）}（%）	x_{Fe3+（tet）}/x_{Fe3+（oct）}	Q3	Q4
HZSM⁃5	—	—	—	3.28	96.72
HZSM⁃5⁃0.5%Fe	37.8	29.1	1.29	10.92	89.08
HZSM⁃5⁃1%Fe	26.5	53.5	0.49	10.81	89.19
HZSM⁃5⁃2%Fe	37.6	37.1	1.01	16.82	83.18