N-ヘキサン亀裂のための金属酸化物/H-ZSM-5触媒の直接インクライティング：高金属酸化物負荷による添加剤製造の新しい方法

以前は、多孔質材料と金属酸化物の3Dプリントは、酸化物成分を生成するために使用される硝酸塩濃度を増加させると、10重量％を超える不十分なレオロジー特性を引き起こしたため、低負荷の金属負荷に限定されていました。この研究では、H-ZSM-5ゼオライトとともに不溶性酸化物を直接印刷することにより、この問題に対処しました。これにより、酸化物の負荷が増加しました。V2O5、Zro2、Cr2O3、Ga2O3などのさまざまな金属酸化物を、添加剤製造方法を通じてH-ZSM-5にドープしました。X線回折、NH3-Temperatureプログラム脱着、O2-Temperatureプログラム酸化、温度プログラム還元、走査型電子顕微鏡エネルギー分散分光法、およびその場でのCO2ドリフト実験との間の特性評価と相関関係は、直接3D印刷酸化物/H-ZSM-5インクは、表面特性と酸化物のバルクの大幅な変更につながります分散により、複合材料の削減性が高まり、N-ヘキサン亀裂反応における製品分布が大きく異なる生成物を生じさせます。得られた金属酸化物/ゼオライト構造材料は、550-600°CおよびGHSV = 9000 mL/Gcatalst・Hでヘキサンからの光オレフィンの選択的形成のための二機能構造触媒として使用されました。調べた金属酸化物/H-ZSM-5のさまざまな組成の中で（すなわち、15 wt％ga2O3、15 wt％zro2、15 wt％v2o5、15 wt％cr2O3、または5 wt％cr/10 wt％zro2/10 wt％V2O5/10 WT％Ga2O3とH-ZSM-5）、15 wt％Cr/ZSM-5のバランスモノリスは、550°Cでのブテンに対するヘキサンの選択性、エチレンに対する30％の選択性、10％の選択性でヘキサンの80〜85％の変換を達成したため、最高のN-ヘキサン亀裂性能を示しました。サンプルはまた、ゼロベンゼン/トルエン/キシレン選択性を示し、6時間後には非アクティブ化はありませんでした。この研究は、金属酸化物/多孔質ゼオライトの高負荷を直接印刷することにより、カスタマイズ可能な不均一な構造化された触媒を調整するための概念実証を表しており、物質科学のブレークスルーです。

Previously, 3D printing of porous materials and metal oxides was limited to low loading metal loadings, as increasing the nitrate salt concentrations, which are used to generate the oxide component, gave rise to poor rheological properties beyond 10 wt %. In this study, we addressed this problem by directly printing insoluble oxides alongside H-ZSM-5 zeolite, which allowed for increased oxide loadings. Various metal oxides such as V2O5, ZrO2, Cr2O3, and Ga2O3 were doped onto H-ZSM-5 through the additive manufacturing method. Characterization and correlation between the X-ray diffraction, NH3-temperature-programmed desorption, O2-temperature programmed oxidation, temperature-programmed reduction, scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy, and in situ CO2 DRIFTS experiments revealed that directly 3D printing metal oxides/H-ZSM-5 inks leads to significant modification in the surface properties and oxide bulk dispersion, thereby enhancing the composites' reducibility and giving rise to widely differing product distributions in n-hexane cracking reaction. The obtained metal oxide/zeolite structured materials were used as bifunctional structured catalysts for the selective formation of light olefins from hexane at 550-600 °C and GHSV = 9000 mL/gcatalst·h in a packed-bed reactor. Among the various compositions of metal oxides/H-ZSM-5 examined (i.e., 15 wt % Ga2O3, 15 wt % ZrO2, 15 wt % V2O5, 15 wt % Cr2O3, or 5 wt % Cr/10 wt % ZrO2/10 wt % V2O5/10 wt % Ga2O3 balanced with H-ZSM-5), the 15 wt % Cr/ZSM-5 monolith displayed the best n-hexane cracking performance, as it achieved 80-85% conversion of hexane with a 40% selectivity toward propylene, 30% selectivity toward ethylene, and 10% selectivity toward butene at 550 °C. The sample also showed zero benzene/toluene/xylene selectivity and no deactivation after 6 h. This study represents a proof-of-concept for tailoring customizable heterogeneous structured catalysts by directly 3D printing high loading of metal oxides/porous zeolite and is a breakthrough in material science.