Selective Methanol Carbonylation to Acetic Acid on Heterogeneous Atomically Dispersed ReO4/SiO2 Catalysts

化学 催化作用 X射线吸收光谱法 甲醇 羰基化 二甲醚 多相催化 选择性 无机化学 吸收光谱法 光化学 有机化学 一氧化碳 量子力学 物理
作者
Ji Qi,Jordan Finzel,Hossein Robatjazi,Mingjie Xu,Adam S. Hoffman,Simon R. Bare,Xiaoqing Pan,Phillip Christopher
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (33): 14178-14189 被引量:64
标识
DOI:10.1021/jacs.0c05026
摘要

Methanol carbonylation to acetic acid (AA) is a large-scale commodity chemical production process that requires homogeneous liquid-phase organometallic catalysts with corrosive halide-based cocatalysts to achieve high selectivity and activity. Here, we demonstrate a heterogeneous catalyst based on atomically dispersed rhenium (ReO4) active sites on an inert support (SiO2) for the halide-free, gas phase carbonylation of methanol to AA. Atomically dispersed ReO4 species and nanometer sized ReOx clusters were deposited on a high surface area (700 m2/g) inert SiO2 using triethanolamine as a dispersion promoter and characterized using aberration corrected scanning transmission electron microscopy (AC-STEM), UV–vis spectroscopy, and X-ray absorption spectroscopy (XAS). Reactivity measurements at atmospheric pressure with 30 mbar of methanol and CO (1:1 molar ratio) showed that bulk Re2O7 and ReOx clusters on SiO2 (formed at >10 wt %) were selective for dimethyl ether formation, while atomically dispersed ReO4 on SiO2 (formed at <10 wt %) exhibited stable (for 60 h) > 93% selectivity to AA with single pass conversion >60%. Kinetic analysis, in situ FTIR, and in situ XAS measurements suggest that the AA formation mechanism involves methanol activation on ReO4, followed by CO insertion into the terminal methyl species. Further, the introduction of ∼0.2 wt % of atomically dispersed Rh to 10 wt % atomically dispersed ReO4 on SiO2 resulted in >96% selectivity toward AA production at volumetric reaction rates comparable to homogeneous processes. This work introduces a new class of promising heterogeneous catalysts based on atomically dispersed ReO4 on inert supports for alcohol carbonylation.

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