Ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale con catalizzatori Au/Cu supportati su CeO2

I combustibili fossili forniscono oltre il 75% dell’energia mondiale. La crescente richiesta di energie non rinnovabili registrata nel XX secolo ne ha causato il progressivo esaurimento, nonché un aumento continuo del prezzo e dell’impatto ambientale, dato il significativo aumento delle emissioni di CO2 nell’atmosfera. Questi sono i principali motivi che hanno indotto la ricerca ad orientarsi verso lo studio di fonti di energie e prodotti chimici rinnovabili per ridurre il surriscaldamento del globo. L’interesse per tale sfruttamento è particolarmente vivo, in quanto le molecole ottenute risultano già funzionalizzate e questo può portare alla sintesi di prodotti chimici attraverso un limitato numero di stadi, con conseguente riduzione di sottoprodotti. Dalle biomasse si ottengono prodotti con un elevato valore aggiunto, in quanto risultano biodegradabili, biocompatibili e appetibili sul mercato come biologici e naturali, ottenuti a monte da processi catalitici di lavorazione più semplici. Tra le varie molecole di base ottenibili dalle biomasse va annoverato il 5-idrossimetilfurfurale (HMF), un importante composto derivato dalla disidratazione degli zuccheri e dal quale, attraverso un’ossidazione selettiva, si può ottenere l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), che può essere considerato un sostituto dell’acido tereftalico per la produzione del polietilentereftalato (PET). L’ossidazione selettiva avviene principalmente mediante catalisi eterogenea, utilizzando catalizzatori a base di oro. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato, quindi, lo studio di reattività e stabilità di catalizzatori utilizzati nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Nella prima parte del lavoro sono stati preparati tali catalizzatori mediante sintesi di sospensioni metalliche nanoparticellari Au-Cu a diverso rapporto molare e loro successiva impregnazione su ossidi di supporto quali CeO2 e TiO2. I sistemi così ottenuti sono poi stati calcinati in aria statica a tre diverse temperature: 200°C, 300°C e 400°C. Il lavoro portato avanti ha avuto come obiettivi principali: • caratterizzazione dei catalizzatori ottenuti tramite analisi BET, XRD, TEM, TPR e analisi termiche TGA/DSC, al fine di effettuare un confronto tra le varie caratterizzazioni in funzione del contenuto di Cu in fase attiva ed in funzione dell’entità del trattamento termico. • studio dell’attività catalitica e stabilità dei catalizzatori preparati nell’ossidazione selettiva in fase liquida del 5-drossimetilfurfurale ad acido 2,5-furandicarbossilico.

Sistemi Rh/CeO2-Al2O3 per l'ossidazione catalitica del metano

L’ossidazione catalitica parziale (CPO) del metano è un processo di elevato interesse scientifico ed industriale, permettendo la produzione su piccola scala di H2 o la produzione di syngas con un rapporto H2/CO = 2, utile per la produzione di metanolo o la sintesi di Fischer-Tropsch di idrocarburi. Inoltre, si possono raggiungere elevate conversioni del metano e selettività in syngas operando a bassi valori del tempo di contatto, riducendo così le dimensioni dei reattori. Tuttavia, gli elevati flussi e le temperature raggiunte nel letto possono condurre rapidamente alla disattivazione del catalizzatore; pertanto, è necessario lo sviluppo di materiali non soltanto attivi, ma anche stabili nelle condizioni di reazione. Lo scopo di questo lavoro è stato lo sviluppo di catalizzatori a base di Rh e ceria, utilizzati sia come pellets che supportati su una schiuma metallica. In particolare, il lavoro è stato focalizzato sulla sintesi, caratterizzazione ed attività catalitica di materiali Rh-CeO2-Al2O3. La presenza di CeO2 può modificare la dispersione del Rh metallico e la sua stabilità nei confronti della sinterizzazione e della formazione del carbone, mentre la stabilità termica è favorita dalla presenza di Al2O3. Poiché queste proprietà e, di conseguenza, le prestazione catalitiche dipendono dalla dimensioni delle particelle di CeO2 sono stati preparati catalizzatori con diverso contenuto di CeO2 (10 e 20 p/p %) ed utilizzando differenti metodi di preparazione per modularne le proprietà. Le sintesi sono effettuate per coprecipitazione e per sintesi con urea per trattamento micronde-idrotermale. Le prestazione dei catalizzatori in pellets sono state analizzate in un impianto di laboratorio operando a bassi valori del tempo di contatto e modificando la temperatura e la concentrazione della miscela gassosa, i.e. sia in condizioni lontane dall’equilibrio termodinamico che in condizioni prossime a quelle industriali. Un catalizzatore con lo stesso contenuto di Rh ed ottenuto da precursori tipo idrotalcite (HT) è stato utilizzato come riferimento. Per incrementare ulteriormente le prestazioni catalitiche, in particolare il trasferimento del calore lungo il letto catalitico, la migliore composizione individuata delle prove precedenti è stata depositata su pellets di una schiuma metallica (FeCrAlloy). E’ stato utilizzato il metodo dell’elettrosintesi per la deposizione di idrossidi di Rh, Ce e Al, ottenendo dopo calcinazione catalizzatori strutturati. Si è valutato l’effetto dei parametri di sintesi, potenziale applicato e tempo, sulle proprietà catalitiche. Anche in questo caso i risultati sono stati confrontati quelli ottenuti con un catalizzatori di riferimento ottenuti da un precursore HT preparati per elettrosintesi.

Atmospheric corrosion of quaternary bronzes (Cu-Sn-Zn-Pb): laboratory tests (accelerated ageing in wet & dry conditions)and field studies (the Bottego monument in Parma, Italy).

The interactions between outdoor bronzes and the environment, which lead to bronze corrosion, require a better understanding in order to design effective conservation strategies in the Cultural Heritage field. In the present work, investigations on real patinas of the outdoor monument to Vittorio Bottego (Parma, Italy) and laboratory studies on accelerated corrosion testing of inhibited (by silane-based films, with and without ceria nanoparticles) and non-inhibited quaternary bronzes are reported and discussed. In particular, a wet&dry ageing method was used both for testing the efficiency of the inhibitor and for patinating bronze coupons before applying the inhibitor. A wide range of spectroscopic techniques has been used, for characterizing the core metal (SEM+EDS, XRF, AAS), the corroded surfaces (SEM+EDS, portable XRF, micro-Raman, ATR-IR, Py-GC-MS) and the ageing solutions (AAS). The main conclusions were: 1. The investigations on the Bottego monument confirmed the differentiation of the corrosion products as a function of the exposure geometry, already observed in previous works, further highlighting the need to take into account the different surface features when selecting conservation procedures such as the application of inhibitors (i.e. the relative Sn enrichment in unsheltered areas requires inhibitors which effectively interact not only with Cu but also with Sn). 2. The ageing (pre-patination) cycle on coupons was able to reproduce the relative Sn enrichment that actually happens in real patinated surfaces, making the bronze specimens representative of the real support for bronze inhibitors. 3. The non-toxic silane-based inhibitors display a good protective efficiency towards pre-patinated surfaces, differently from other widely used inhibitors such as benzotriazole (BTA) and its derivatives. 4. The 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH) additivated with CeO2 nanoparticles generally offered a better corrosion protection than PropS-SH.

Sintesi di catalizzatori supportati Au/Cu e studio della loro reattività per l'ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale

Al giorno d’oggi i combustibili fossili come carbone, olio e gas naturale forniscono più del 75% dell’energia mondiale. Tuttavia, la crescente richiesta di queste fonti di energia non rinnovabili, si manifesta in un momento in cui le riserve naturali si stanno esaurendo; è stato infatti stimato che le riserve petrolifere di tutto il mondo possano essere sufficienti per fornire energia e produrre prodotti chimici per i prossimi quarant’anni. Per questo motivo la conversione delle biomasse per produrre energia e prodotti chimici sta diventando una valida alternativa per diversificare le fonti energetiche e ridurre il surriscaldamento globale. Le biomasse, infatti, oltre ad essere una fonte rinnovabile, generano minori emissioni di gas serra rispetto ai combustibili fossili, perché la CO2 rilasciata nei processi di utilizzo viene bilanciata da quella consumata nel processo di crescita delle biomasse stesse. Lo sfruttamento delle biomasse per la produzione di building blocks per la chimica suscita particolare interesse, poiché le molecole ottenute sono già parzialmente funzionalizzate; ciò significa che la sintesi di prodotti chimici specifici richiede un minor numero di stadi rispetto ai building blocks petroliferi, con conseguente diminuzione di prodotti di scarto e sottoprodotti. Un esempio di queste potenziali “molecole piattaforma” è il 5-idrossimetilfurfurale (HMF), un importante composto derivato dalla disidratazione di zuccheri, intermedio chiave per la sintesi di un’ampia varietà di prodotti chimici e combustibili alternativi, tra cui l’acido 2,5- furandicarbossilico (FDCA), che è stato identificato tra i dodici composti chimici più importanti degli ultimi anni. Per esempio, il FDCA è un possibile sostituto dell’acido tereftalico, usato per produrre il polietilentereftalato (PET). Recentemente alcuni autori hanno riportato interessanti risultati sull’ossidazione dell’HMF a FDCA utilizzando catalizzatori a base di Au supportato. Questi catalizzatori mostrano però significativi problemi di disattivazione. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quindi lo sviluppo di catalizzatori attivi e stabili nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro portato avanti ha avuto come obbiettivi principali: l’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di oro e oro/rame a diverso rapporto molare, mediante un processo di sintesi, in acqua, a basso impatto ambientale. Tale metodo di sintesi si basa sull’azione riducente del sistema glucosio-NaOH ed è stato messo a punto in lavori di tesi precedenti. Le nanoparticelle sintetizzate sono state utilizzate, quali fase attiva, per la preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e CeO2 lo studio dell’attività catalitica e riusabilità dei catalizzatori preparati nell’ossidazione in fase liquida del HMF a FDCA.

Outdoor bronze conservation: assessment of protective treatments by accelerated aging and of treatment removal procedures by laser cleaning

Outdoor bronzes exposed to the environment form naturally a layer called patina, which may be able to protect the metallic substrate. However, since the last century, with the appearance of acid rains, a strong change in the nature and properties of the copper based patinas occurred [1]. Studies and general observations have established that bronze corrosion patinas created by acid rain are not only disfiguring in terms of loss of detail and homogeneity, but are also unstable [2]. The unstable patina is partially leached away by rainwater. This leaching is represented by green streaking on bronze monuments [3]. Because of the instability of the patina, conservation techniques are usually required. On a bronze object exposed to the outdoor environment, there are different actions of the rainfall and other atmospheric agents as a function of the monument shape. In fact, we recognize sheltered and unsheltered areas as regards exposure to rainwater [4]. As a consequence of these different actions, two main patina types are formed on monuments exposed to the outdoor environment. These patinas have different electrochemical, morphological and compositional characteristics [1]. In the case of sheltered areas, the patina contains mainly copper products, stratified above a layer strongly enriched in insoluble Sn oxides, located at the interface with the uncorroded metal. Moreover, different colors of the patina result from the exposure geometry. The surface color may be pale green for unsheltered areas, and green and mat black for sheltered areas [4]. Thus, in real outdoor bronze monuments, the corrosion behavior is strongly influenced by the exposure geometry. This must be taken into account when designing conservation procedures, since the patina is in most cases the support on which corrosion inhibitors are applied. Presently, for protecting outdoor bronzes against atmospheric corrosion, inhibitors and protective treatments are used. BTA and its derivatives, which are the most common inhibitors used for copper and its alloy, were found to be toxic for the environment and human health [5, 6]. Moreover, it has been demonstrated that BTA is efficient when applied on bare copper but not as efficient when applied on bare bronze [7]. Thus it was necessary to find alternative compounds. Silane-based inhibitors (already successfully tested on copper and other metallic substrates [8]), were taken into consideration as a non-toxic, environmentally friendly alternative to BTA derivatives for bronze protection. The purpose of this thesis was based on the assessment of the efficiency of a selected compound, to protect the bronze against corrosion, which is the 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH). It was selected thanks to the collaboration with the Corrosion Studies Centre “Aldo Daccò” at the Università di Ferrara. Since previous studies [9, 10, 11] demonstrated that the addition of nanoparticles to silane-based inhibitors leads to an increase of the protective efficiency, we also wanted to evaluate the influence of the addition of CeO2, La2O3, TiO2 nanoparticles on the protective efficiency of 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane, applied on pre-patinated bronze surfaces. This study is the first section of the thesis. Since restorers have to work on patinated bronzes and not on bare metal (except for contemporary art), it is important to be able to recreate the patina, under laboratory conditions, either in sheltered or unsheltered conditions to test the coating and to obtain reliable results. Therefore, at the University of Bologna, different devices have been designed to simulate the real outdoor conditions and to create a patina which is representative of real application conditions of inhibitor or protective treatments. In particular, accelerated ageing devices by wet & dry (simulating the action of stagnant rain in sheltered areas [12]) and by dropping (simulating the leaching action of the rain in unsheltered areas [1]) tests were used. In the present work, we used the dropping test as a method to produce pre-patinated bronze surfaces for the application of a candidate inhibitor as well as for evaluating its protective efficiency on aged bronze (unsheltered areas). In this thesis, gilded bronzes were also studied. When they are exposed to the outside environment, a corrosion phenomenon appears which is due to the electrochemical couple gold/copper where copper is the anode. In the presence of an electrolyte, this phenomenon results in the formation of corrosion products than will cause a blistering of the gold (or a break-up and loss of the film in some cases). Moreover, because of the diffusion of the copper salts to the surface, aggregates and a greenish film will be formed on the surface of the sample [13]. By coating gilded samples with PropS-SH and PropS-SH containing nano-particles and carrying out accelerated ageing by the dropping test, a discussion is possible on the effectiveness of this coating, either with nano-particles or not, against the corrosion process. This part is the section 2 of this thesis. Finally, a discussion about laser treatment aiming at the assessment of reversibility/re-applicability of the PropS-SH coating can be found in section 3 of this thesis. Because the protective layer loses its efficiency with time, it is necessary to find a way of removing the silane layer, before applying a new one on the “bare” patina. One request is to minimize the damages that a laser treatment would create on the patina. Therefore, different laser fluences (energy/surface) were applied on the sample surface during the treatment process in order to find the best range of fluence. In particular, we made a characterization of surfaces before and after removal of PropS-SH (applied on a naturally patinated surface, and subsequently aged by natural exposure) with laser methods. The laser removal treatment was done by the CNR Institute of Applied Physics “Nello Carrara” of Sesto Fiorentino in Florence. In all the three sections of the thesis, a range of non-destructive spectroscopic methods (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), μ-Raman spectroscopy, X-Ray diffractometry (XRD)) were used for characterizing the corroded surfaces. AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) was used to analyze the ageing solutions from the dropping test in sections 1 and 2.

Ruolo della composizione e metodo di preparazione nelle proprietà di catalizzatori contenenti cerio per l'ossidazione parziale catalitica del metano

Questo a lavoro di tesi si è incentrato sullo sviluppo di catalizzatori attivi nella reazione di ossidazione parziale catalitica (CPO) del metano per la produzione di idrogeno o/e syngas, con un rapporto ottimale di H2/CO, utile per la produzione idrocarburi attraverso la reazione di Fischer-Tropsch o per l’alimentazione delle fuels cells. La scarsa diffusione di questo processo è da attribuirsi alla mancanza di catalizzatori adatti a resistere agli elevati flussi e alle elevate temperature raggiunte nel letto senza subire processi di disattivazione; pertanto, è necessario lo sviluppo di nuovi catalizzatori non soltanto attivi, ma anche stabili nelle condizioni di reazione. In questa tesi si sono studiati catalizzatori con differenti fasi attive Rh e Ru supportati su CeO2-Al2O3, utilizzati in pellets. L'attenzione di questo lavoro di tesi si è focalizzata sullo studio delle proprietà e del ruolo della fase attiva e del promotore ceria nei catalizzatori. Per questo studio sono stati sintetizzati per coprecipitazione due catalizzatori con ugual concentrazione di cerio ma diversa fase attiva, Rodio e Rutenio e se ne sono studiate le proprietà. Della fase attiva con migliori prestazioni, il Rh, se ne è approfondito lo studio, indagando sulla migliore metodologia di attivazione e sul miglior metodo di sintesi del catalizzatore. Infine, per lo studio dell’effetto del cerio sia nelle proprietà chimico-fisiche che nella attività catalitica, sono stati preparati per coprecipitazione diversi catalizzatori di tipo Rh-CeO2-Al2O3, con un contenuto di cerio variabile ma con ugual concentrazione di fase attiva, cosi come dei campioni di riferimento contenti soltanto ceria o allumina. Questi catalizzatori sono stati testati in severe condizioni e per lunghi tempi di reazione per simulare l’utilizzo industriale ed evidenziarne le caratteristiche.

Ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale con catalizzatori a base di nanoparticelle metalliche: effetto della fase attiva e del supporto

Le biomasse sono attualmente una promettente alternativa ai combustibili fossili per la produzione di sostanze chimiche e fuels. Nella trasformazione delle biomasse in prodotti chimici un ruolo importante è giocato dai derivati del furfurale; il 5-idrossimetil-2-furfurale (HMF), per esempio, è un precursore chiave per la sintesi di prodotti con applicazioni nell'industria dei polimeri e in campo farmaceutico. Può essere ossidato per ottenere l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), un monomero per la sintesi di una nuova classe di polimeri, alternativi a quelli ottenuti da acido tereftalico. Per la preparazione di FDCA da HMF sono stati utilizzati vari catalizzatori e differenti condizioni di reazione; il principale svantaggio è la necessità di sali metallici e solventi organici, che rendono il processo costoso e ad elevato impatto ambientale. Recentemente sono stati trovati catalizzatori di Au supportati, attivi nell’ossidazione del HMF a FDCA; tuttavia la stabilità del catalizzatore e la produttività del processo rimangono basse. Lo scopo del lavoro è stato lo studio di sistemi attivi e stabili nella reazione di ossidazione del HMF a FDCA. In particolare è stato approfondito l’effetto della morfologia del supporto di CeO2, utilizzato per la preparazione di catalizzatori a base di Au e l’influenza della fase attiva sul meccanismo di reazione in sistemi misti Pd/Au. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi: -La preparazione di catalizzatori Au-CeO2 mesoporoso, ottenuto mediante “hard template” e la loro caratterizzazione mediante analisi XRD, HRTEM, BET, XRF, TPR e porosimetriche. Confrontando questi sistemi con catalizzatori di Au-CeO2 commerciale è stato possibile osservare le differenze in termini di attività catalitica e di struttura. -La sintesi di nanoparticelle Pd/Au in lega o core-shell e la loro caratterizzazione mediante analisi DLS, XRF, XRD e HRTEM per comprendere come il tipo di fase attiva formata influisce sull’attività e sul meccanismo di reazione nell’ossidazione di HMF a FDCA.