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.

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.