Liquid hydrocarbon fuels play an essential part in the global energy chain, owing to their high energy density and easy transportability. Olefins play a similar role in the production of consumer goods. In a post-oil society, fuel and olefin production will rely on alternative carbon sources, such as biomass, coal, natural gas, and CO(2). The methanol-to-hydrocarbons (MTH) process is a key step in such routes, and can be tuned into production of gasoline-rich (methanol to gasoline; MTG) or olefin-rich (methanol to olefins; MTO) product mixtures by proper choice of catalyst and reaction conditions. This Review presents several commercial MTH projects that have recently been realized, and also fundamental research into the synthesis of microporous materials for the targeted variation of selectivity and lifetime of the catalysts.

Presented in this paper is a deep investigation into the defect chemistry of UiO-66 when synthesized in the presence of monocarboxylic acid modulators under the most commonly employed conditions. We unequivocally demonstrate that missing cluster defects are the predominant defect and that their concentration (and thus the porosity and composition of the material) can be tuned to a remarkable extent by altering the concentration and/or acidity of the modulator. Finally, we attempt to rationalize these observations by speculating on the underlying solution chemistry.

This study examined the reaction mechanism with respect to both catalyst deactivation and product formation in the conversion of methanol to hydrocarbons over zeolite H-ZSM-5. The reactivity of the organics residing in the zeolite voids during the reaction was assessed by transient 12C/13C methanol-switching experiments. In contrast to previously investigated catalysts (H-SAPO-34 and H-beta), hexamethylbenzene is virtually unreactive in H-ZSM-5 and is thus not a relevant reaction intermediate for alkene formation. However, the lower methylbenzenes are reaction intermediates in a hydrocarbon pool-type mechanistic cycle and are responsible for the formation of ethene and propene. An additional reaction cycle not applicable for ethene also must be taken into account. The C3+ alkenes are to formed through rapid alkene methylation and cracking steps to a considerable extent; thus, methanol is converted to hydrocarbons according to two catalytic cycles over H-ZSM-5. Moreover, in contrast to what occurs for large-pore zeolites/zeotypes, molecules larger than hexamethylbenzenes are not built up inside the H-ZSM-5 channels during deactivation. Thus, deactivation is explained by coke formation on the external surface of the zeolite crystallites only. This is a plausible rationale for the superior lifetime properties of H-ZSM-5 in the methanol-to-hydrocarbon reaction.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVCommunicationNEXTTuned to Perfection: Ironing Out the Defects in Metal–Organic Framework UiO-66Greig C. Shearer†, Sachin Chavan†, Jayashree Ethiraj‡, Jenny G. Vitillo‡, Stian Svelle†, Unni Olsbye†, Carlo Lamberti‡, Silvia Bordiga†‡, and Karl Petter Lillerud*†View Author Information† inGAP Centre for Research Based Innovation, Department of Chemistry, University of Oslo, P.O. Box 1033, N-0315 Oslo, Norway‡ Department of Chemistry, NIS and INSTM Reference Centre, Via Quarello 15, I-10135 Torino, Italy*E-mail: [email protected]Cite this: Chem. Mater. 2014, 26, 14, 4068–4071Publication Date (Web):June 16, 2014Publication History Received22 May 2014Revised13 June 2014Published online7 July 2014Published inissue 22 July 2014https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cm501859phttps://doi.org/10.1021/cm501859prapid-communicationACS PublicationsCopyright © 2014 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views16635Altmetric-Citations643LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (1)»Supporting Information Supporting Information SUBJECTS:Anions,Defects,Materials,Thermal stability,Thermogravimetric analysis Get e-Alerts

The widely debated reaction mechanism for the conversion of methanol to hydrocarbons over acidic zeolite H-ZSM-5 has been investigated using isotopic labeling. The mechanistic findings for H-ZSM-5 are clearly different from those previously described at a detailed level for H-β and H-SAPO-34 catalysts. On the basis of the current set of data, we can state that, for H-ZSM-5, ethene appears to be formed exclusively from the xylenes and trimethylbenzenes. Moreover, propene and higher alkenes are to a significant extent formed from alkene methylations and interconversions. This implies that ethene formation is mechanistically separated from the formation of higher alkenes, an insight of utmost importance for understanding and possibly controlling the ethene/propene selectivity in methanol-to-alkenes catalysis.

This work outlines how treatment of zeolite H-ZSM-5 (Si/Al = 46) with NaOH may improve the catalytic performance in the conversion of methanol to gasoline. The zeolite was treated with 0.05 or 0.20 M NaOH solution for 2× 4 h at 75 °C. XRD confirmed the retention of crystallinity. The Si/Al ratio of the catalyst decreased as a consequence of the treatment, in particular for the more severely treated sample, but the total acidity determined by NH3-TPD was not altered, showing that the treated samples contain significant amounts of Al not giving rise to acidity. The BET surface area increased from 313 to 419 m2/g as a consequence of the desilication, and the N2 adsorption measurements indicated mesopore generation. Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) indicated presence of Lewis acidity in the treated samples. Methanol conversion was carried out in a fixed bed reactor at 370 °C and WHSV = 8 g g−1 h−1. The catalyst lifetime, quantified as the total conversion capacity, increased by a factor of 3.3 as a consequence of the most severe treatment. The procedure led to a moderate increase in the initial activities. Further, the product selectivities were altered dramatically. The selectivity towards the gasoline fraction (C5+) was at best increased by a factor of 1.7. Hydrogen transfer reactions became faster and led to more aromatic and paraffinic compounds in the products. Increases in the propene/ethene ratios were observed at moderate conversion. The results are well rationalized by alterations of acidic properties, mesopore formation, and improved diffusivity.

Selectivity control is a major issue in chemical processes. In this work, isotopic switch experiments (12CH3OH/13CH3OH) were used to study the relationship between reaction intermediates and product distribution for the Methanol-to-Olefins (MTO) reaction over the archetype H-SAPO-34 catalyst during a full deactivation cycle. After switching, all alkenes contained a major fraction of 13C, and this fraction was only slightly influenced by catalyst deactivation. Among the methylbenzene intermediates, the 13C fraction decreased with a decreasing number of methyl groups on the aromatic ring, throughout the test cycle. These observations clearly demonstrate that an observed increase in ethene selectivity with time on stream is due to product shape selectivity, which changes with the degree of pore clogging. Quantification of labeled and unlabeled methylbenzenes showed that less than 10% of the catalyst cages contained an active methylbenzene intermediate at any time during the test, even for 1 μm crystal size.

Post-synthetic modification is a viable route for the introduction of surface sites with new chemical properties in metal–organic framework compounds. Herein we demonstrate that it is possible to perform covalent post-synthetic modifications of the UiO-66–NH2 MOF with four different acid anhydrides. FT-IR is employed to monitor the reactions and the extent of reaction depends on the bulkiness of the anhydrides. For the smallest one, acetic anhydride, 100% conversion to UiO-66–NHCOCH3 was observed.

We report the structure of the Zr metal–organic frameworks (MOFs) UiO-66 and UiO-67 to very fine detail using synchrotron single-crystal X-ray diffraction and the synthesis method used to obtain single crystals. Zr terephthalate MOF UiO-66 is known to have missing linkers, and the nature of these are shown to be coordinating water and solvent molecules. Single crystals of the isoreticular material UiO-67 does not show such missing linker defects.

Cu-exchanged zeolites possess active sites that are able to cleave the C–H bond of methane at temperatures ≤200 °C, enabling its selective partial oxidation to methanol. Herein we explore this process over Cu-SSZ-13 materials. We combine activity tests and X-ray absorption spectroscopy (XAS) to thoroughly investigate the influence of reaction parameters and material elemental composition on the productivity and Cu speciation during the key process steps. We find that the CuII moieties responsible for the conversion are formed in the presence of O2 and that high temperature together with prolonged activation time increases the population of such active sites. We evidence a linear correlation between the reducibility of the materials and their methanol productivity. By optimizing the process conditions and material composition, we are able to reach a methanol productivity as high as 0.2 mol CH3OH/mol Cu (125 μmol/g), the highest value reported to date for Cu-SSZ-13. Our results clearly demonstrate that high populations of 2Al Z2CuII sites in 6r, favored at low values of both Si:Al and Cu:Al ratios, inhibit the material performance by being inactive for the conversion. Z[CuIIOH] complexes, although shown to be inactive, are identified as the precursors to the methane-converting active sites. By critical examination of the reported catalytic and spectroscopic evidence, we propose different possible routes for active-site formation.