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Key Roles of Lewis Acid–Base Pairs on ZnxZryOz in Direct Ethanol/Acetone to Isobutene Conversion

化学 路易斯酸 催化作用 异构化 丙酮 除氧 布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 选择性 吡啶 聚合 光化学 无机化学 有机化学 聚合物
作者
Junming Sun,Rebecca A. L. Baylon,Changjun Liu,Donghai Mei,Kévin Martin,Padmesh Venkitasubramanian,Yong Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (2): 507-517 被引量:117
标识
DOI:10.1021/jacs.5b07401
摘要

The effects of surface acidity on the cascade ethanol-to-isobutene conversion were studied using ZnxZryOz catalysts. The ethanol-to-isobutene reaction was found to be limited by the secondary reaction of the key intermediate, acetone, namely the acetone-to-isobutene reaction. Although the catalysts with coexisting Brønsted acidity could catalyze the rate-limiting acetone-to-isobutene reaction, the presence of Brønsted acidity is also detrimental. First, secondary isobutene isomerization is favored, producing a mixture of butene isomers. Second, undesired polymerization and coke formation prevail, leading to rapid catalyst deactivation. Most importantly, both steady-state and kinetic reaction studies as well as FTIR analysis of adsorbed acetone-d6 and D2O unambiguously showed that a highly active and selective nature of balanced Lewis acid-base pairs was masked by the coexisting Brønsted acidity in the aldolization and self-deoxygenation of acetone to isobutene. As a result, ZnxZryOz catalysts with only Lewis acid-base pairs were discovered, on which nearly a theoretical selectivity to isobutene (∼ 88.9%) was successfully achieved, which has never been reported before. Moreover, the absence of Brønsted acidity in such ZnxZryOz catalysts also eliminates the side isobutene isomerization and undesired polymerization/coke reactions, resulting in the production of high purity isobutene with significantly improved catalyst stability (<2% activity loss after 200 h time-on-stream). This work not only demonstrates a balanced Lewis acid-base pair for the highly active and selective cascade ethanol-to-isobutene reaction but also sheds light on the rational design of selective and robust acid-base catalyst for C-C coupling via aldolization reaction.

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