Directional Transport in Hierarchically Aligned ZSM-5 Zeolites with High Catalytic Activity

化学 ZSM-5型 催化作用 化学工程 沸石 有机化学 工程类
作者
Bojun Zeng,Si‐Ming Wu,Mingbin Gao,Ge Tian,Liying Wang,Zhiwen Yin,Zhi‐Yi Hu,Shouxin Zhang,Ganggang Chang,Mao Ye,Christoph Janiak,Osamu Terasaki,Xiaoyu Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c09483
摘要

Zeolites, the most technically important crystalline microporous materials, are indispensable cornerstones of chemical engineering because of their remarkable catalytic properties and adsorption capabilities. Numerous studies have demonstrated that the hierarchical engineering of zeolites can maximize accessible active sites and improve mass transport, which significantly decreases the internal diffusion limits to achieve the desired performance. However, the construction of hierarchical zeolites with ordered alignments and size-controlled substructures in a convenient way is highly challenging. Herein, we develop a facile procedure using two common structure-directing agents, tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH) and tetraethylammonium hydroxide (TEAOH), to synthesize hierarchically aligned ZSM-5 (Hie-ZSM-5) crystals with a-axis alignment substructures of controllable size. The control of the substructure size (α) in the range of 10–60 nm and the corresponding similarity (r = α/β, where β is the size of Hie-ZSM-5) ranging from 0.004 to 0.033 can be tuned by varying the Si/Al ratios (40–120). A systematic investigation of the overall crystallization process, using time-dependent XRD, SEM, TEM, and solid-state magic-angle spinning NMR (13C, 27Al, 29Si) methods, enable us to construct a solid mechanism for the generation of Hie-ZSM-5. Most importantly, directional transport in the unique structures of Hie-ZSM-5 efficiently enhances mass diffusion, as well as catalytic activity and stability. These findings improve our understanding of the zeolite crystallization process and inspire novel methods for the rational design of hierarchical zeolites.
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