True liquid crystal templating of SBA-15 with reduced microporosity

Mesoporous silica SBA-15 was synthesised by the true liquid crystal templating method, yielding a material with reduced microporosity compared with that produced by the more conventional liquid crystal templating route. Further advancements allow the generation of metal nanoparticle-doped SBA-15 materials with well-defined metal particle sizes, which posses potential as catalytic systems. © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Tunable Pt nanocatalysts for the aerobic selox of cinnamyl alcohol

The selective aerobic oxidation of cinnamyl alcohol over Pt nanoparticles has been tuned via the use of mesoporous silica supports to control their dispersion and oxidation state. High area two-dimensional SBA-15, and three-dimensional, interconnected KIT-6 silica significantly enhance Pt dispersion, and thus surface PtO2 concentration, over that achievable via commercial low surface area silica. Selective oxidation activity scales with Pt dispersion in the order KIT-6 ≥ SBA-15 > SiO2, evidencing surface PtO2 as the active site for cinnamyl alcohol selox to cinnamaldehyde. Kinetic mapping has quantified key reaction pathways, and the importance of high O2 partial pressures for cinnamaldehyde production. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

Hierarchical porous catalysts tailored for biodiesel production

There is a pressing need for sustainable transportation fuels to combat both climate change and dwindling fossil fuel reserves. Biodiesel, synthesised from non-food plant (e.g., Jatropha curcas) or algal crops is one possible solution, but its energy efficient production requires design of new solid catalysts optimized for the bulky triglyceride and fatty acid feedstocks. Here we report on the synthesis of hierarchical macroporous-mesoporous silica and alumina architectures, and their subsequent functionalization by propylsulfonic acid groups or alkaline earth oxides to generate novel solid acid and base catalysts. These materials possess high surface areas and well-defined, interconnected macro-mesopore networks with respective narrow pore size distributions tuneable around 300 nm and 5 nm. Their high conductivity and improved mass transport characteristics enhance activity towards transesterification of bulky tricaprylin and palmitic acid esterification, over mesoporous analogues. This opens the way to the wider application of hierarchical catalysts in biofuel synthesis and biomass conversion.

Study of Ammonia Borane and its Derivatives: Influence of Nanoconfinements and Pressures

Recently, ammonia borane has increasingly attracted researchers’ attention because of its merging applications, such as organic synthesis, boron nitride compounds synthesis, and hydrogen storage. This dissertation presents the results from several studies related to ammonia borane. The pressure-induced tetragonal to orthorhombic phase transition in ammonia borane was studied in a diamond anvil cell using in situ Raman spectroscopy. We found a positive Clapeyron-slope for this phase transformation in the experiment, which implies that the phase transition from tetragonal to orthorhombic is exothermic. The result of this study indicates that the rehydrogenation of the high pressure orthorhombic phase is expected to be easier than that of the ambient pressure tetragonal phase due to its lower enthalpy. The high pressure behavior of ammonia borane after thermal decomposition was studied by in situ Raman spectroscopy at high pressures up to 10 GPa. The sample of ammonia borane was first decomposed at ~140 degree Celcius and ~0.7 GPa and then compessed step wise in an isolated sample chamber of a diamond anvil cell for Raman spectroscopy measurement. We did not observe the characteristic shift of Raman mode under high pressure due to dihydrogen bonding, indicating that the dihydrogen bonding disappears in the decomposed ammonia borane. Although no chemical rehydrogenation was detected in this study, the decomposed ammonia borane could store extra hydrogen by physical absorption. The effect of nanoconfinement on ammonia borane at high pressures and different temperatures was studied. Ammonia borane was mixed with a type of mesoporous silica, SBA-15, and restricted within a small space of nanometer scale. The nano-scale ammonia borane was decomposed at ~125 degree Celcius in a diamond anvil cell and rehydrogenated after applying high pressures up to ~13 GPa at room temperature. The successful rehydrogenation of decomposed nano-scale ammonia borane gives guidance to further investigations on hydrogen storage. In addition, the high pressure behavior of lithium amidoborane, one derivative of ammonia borane, was studied at different temperatures. Lithium amidoborane (LAB) was decomposed and recompressed in a diamond anvil cell. After applying high pressures on the decomposed lithium amidoborane, its recovery peaks were discovered by Raman spectroscopy. This result suggests that the decomposition of LAB is reversible at high pressures.

Synthesis and characterization of cyclotriphosphazenes containing silicon as single solid-state precursors for the formation of silicon/phosphorus nanostructured materials

The synthesis and characterization of new organosilicon derivatives of N3P3Cl6, N3P3[NH(CH2)3Si(OEt)3]6 (1), N3P3[NH(CH2)3Si(OEt)3]3[NCH3(CH2)3CN]3 (2), and N3P3[NH(CH2)3Si(OEt)3]3[HOC6H4(CH2)CN]3 (3) are reported. Pyrolysis of 1, 2, and 3 in air and at several temperatures results in nanostructured materials whose composition and morphology depend on the temperature of pyrolysis and the substituents of the phosphazenes ring. The products stem from the reaction of SiO2 with P2O5, leading to either crystalline Si5(PO4)6O, SiP2O7 or an amorphous phase as the glass Si5(PO4)6O/3SiO2·2P2O5, depending on the temperature and nature of the trimer precursors. From 1 at 800 °C, core−shell microspheres of SiO2 coated with Si5(PO4)6O are obtained, while in other cases, mesoporous or dense structures are observed. Atomic force microscopy examination after deposition of the materials on monocrystalline silicon wafers evidences morphology strongly dependent on the precursors. Isolated islands of size ∼9 nm are observed from 1, whereas dense nanostructures with a mean height of 13 nm are formed from 3. Brunauer−Emmett−Teller measurements show mesoporous materials with low surface areas. The proposed growth mechanism involves the formation of cross-linking structures and of vacancies by carbonization of the organic matter, where the silicon compounds nucleate. Thus, for the first time, unique silicon nanostructured materials are obtained from cyclic phosphazenes containing silicon.

Determination of toluene hydrogenation kinetics with neutron diffraction

Total neutron scattering has been used to follow the hydrogenation of toluene-d₈ to methylcyclohexane-d₁₄ over 3 wt% platinum supported on highly ordered mesoporous silica (MCM-41) at 298 K and under 150 mbar D₂ pressure. The detailed kinetic information so revealed indicates that liquid reorganisation inside pores is the slowest step of the whole process. Additionally, the results were compared with the reaction performed under 250 mbar D₂ pressure as well as with toluene-h₈ hydrogenation using D₂ at 150 mbar.

Matériaux mésoporeux fonctionnalisés pour l'extraction sélective des terres rares

Les matériaux mésoporeux à base de silice sont des plateformes polyvalentes qui offrent une réponse aux besoins de domaines variés comme l’environnement, la santé et les énergies. La fonctionnalisation avec des groupements organiques en fait des matériaux hybrides qu’il est aisé d’orienter vers une application spécifique. Ainsi, afin de fournir une alternative aux procédés industriels, dommageables pour l’environnement actuellement utilisés pour l’extraction et la purification des terres rares, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL) majoritairement, les silices mésoporeuses ont été sollicitées à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Cette dernière, en opposition à l’ELL, présente de nombreux avantages dont, la suppression des solvants organiques, le contrôle de la sélectivité envers et parmi le groupe des éléments de terres rares (ÉTR) à travers l’ancrage du ligand sur un support solide et la possibilité de réutiliser plusieurs fois l’adsorbant. Les ÉTR sont des métaux qui participent à la transition vers des technologies moins coûteuses en énergie, il est donc primordial de rendre leurs procédés d’extraction plus verts. Dans le cadre de ce travail, différents types de silices ordonnées mésoporeuses, MCM-41, SBA-15 et SBA-16, ont été synthétisées, fonctionnalisées avec un ligand approprié, et leurs comportements vis à vis de ces éléments, comparés. Ces matériaux ont de nombreux points communs mais certaines caractéristiques les différencient néanmoins : la taille et la géométrie des pores, la connexion entre les pores, l’épaisseur des parois, l’accessibilité aux pores ou encore la diffusion des liquides ou gaz dans la matrice. C’est pourquoi, le but de cette étude est d’élucider l’impact de ces diverses propriétés sur l’adsorption sélective des ÉTR en condition statique et dynamique.

Nanostructured catalysts for the development of the hydrogen economy

La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l’environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l’énergie. L’objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d’examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l’hydrogène. Dans un premier temps, une série d’oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d’hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l’oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d’hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d’hydrogène à partir de l’ammoniaborane (aussi appelé borazane). L’activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d’imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l’hydrolyse du borazane et la décomposition de l’hydrazine aqueuse pour la production d’hydrogène. Il a été démontré qu’un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l’effet bi-métallique, l’interaction métal-support, et la taille des particules de métal.

Cold vapour generation electrothermal atomic absorption spectrometry and solid phase extraction based on a new nanosorbent for sensitive HG determination in environmental samples (sea water and river water)

Mercury is not an essential element for plant or animal life and it is a potential environmental toxic because of its tendency to form covalent bonds with organic molecules and the high stability of the Hg-C bond. Reports estimate a total mercury concentration in natural waters ranging from 0.2 to 100 ng L-1. Due to this fact, highly sensitive methods are required for direct determination of such extremely low levels. In this work, a rapid and simple method was developed for separation and preconcentration of mercury by flow injection solid phase extraction coupled with on-line chemical vapour generation electrothermal atomic absorption spectrometry. The system is based on chelating retention of the analyte onto the mini column filled with a mesoporous silica functionalized with 1,5 bis (di-2-pyridyl) methylene thiocarbohydrazide. The main aim of this work was to develop a precise and accurate method for the determination of the Hg. Under the optima conditions and 120 s preconcentration time, the detection limit obtained was 0.009 μg L-1, with RSDs 3.7 % for 0.2 μg L-1, 4.8 % for 1 μg L-1 and enrichment factor 4, Furthermore, the method proposed has permitted the determination of Hg with a reduction in the analysis time, the sample throughput was about 18 h-1, low consumption of reagents and sample volume. The method was applied to the determination of Hg in sea water and river water. For the quality control of the analytical performance and the validation of the newly developed method, the analysis of two certified samples, TMDA 54.4 Fortified Lake, and LGC6187 River sediment was addressed. The results showed good agreement with the certified values.

New Catalysts for the Renewable Production of Monomers for Bioplastics

Terephthalic acid (PTA) is one of the monomers used for the synthesis of the polyester, polyethylene terephthalate (PET), that is used for the large-scale manufacture of synthetic fibers and plastic bottles. PTA is largely produced from the liquid-phase oxidation of petroleum-derived p-xylene (PX). However, there are now ongoing worldwide efforts exploring alternative routes for producing PTA from renewable, biomass resources.

In this thesis, I present a new route to PTA starting from the biomass-derived platform chemical, 5-hydroxymethylfurfural (HMF). This route utilizes new, selective Diels-Alder-dehydration reactions involving ethylene and is advantageous over the previously proposed Diels-Alder-dehydration route to PTA from HMF via 2,5-dimethylfuran (DMF) since the H₂ reduction of HMF to DMF is avoided. Specifically, oxidized derivatives of HMF are reacted as is, or after etherification-esterification with methanol, with ethylene over solid Lewis acid catalysts that do not contain strong Brønsted acids in order to synthesize intermediates of PTA and its equally important diester, dimethyl terephthalate (DMT). The partially oxidized HMF, 5-(hydroxymethyl)furoic acid (HMFA) is reacted with high pressure ethylene over a pure-silica molecular sieve catalyst containing framework tin (Sn-Beta) to produce the Diels-Alder-dehydration product, 4-(hydroxymethyl)benzoic acid (HMBA), with ~30% selectivity at ~20% yield. If HMFA is protected with methanol to form methyl 5-(methoxymethyl)furan-2-carboxylate (MMFC), MMFC can react with ethylene in the presence of a pure-silica molecular sieve containing framework zirconium (Zr-Beta) to produce methyl 4-(methoxymethyl)benzenecarboxylate (MMBC) with >70% selectivity at >20% yield. HMBA and MMBC can then be oxidized to produce PTA and DMT, respectively. When Lewis acid containing mesoporous silica (MCM-41) and amorphous silica, or Brønsted acid containing zeolites (Al-Beta), are used as catalysts, a significant decrease in selectivity/yield of the Diels-Alder-dehydration product is observed.

An investigation to elucidate the reaction network and side products in the conversion of MMFC to MMBC was performed, and the main side products are found to be methyl 4-formylcyclohexa-1,3-diene-1-carboxylate and the ethylene Diels-Alder adduct of this cyclohexadiene. These products presumably form by a different dehydration pathway of the MMFC/ethylene Diels-Alder adduct and should be included when determining the overall selectivity to PTA or DMT since, like MMBC, these compounds are precursors to PTA or DMT.

Fundamental physical and chemical information on the ethylene Diels-Alder-dehydration reactions catalyzed by the Lewis acid-containing molecular sieves was obtained. Madon-Boudart experiments using Zr-Beta as catalyst show that the reaction rates are limited by chemical kinetics only (physical transport limitations are not present), all the Zr⁴⁺ centers are incorporated into the framework of the molecular sieve, and the whole molecular sieve crystal is accessible for catalysis. Apparent activation energies using Zr-Beta are low, suggesting that the overall activation energy of the system may be determined by a collection of terms and is not the true activation energy of a single chemical step.

Preparação, caracterização e aplicação de derivados do ácido 12- tungstofosfórico suportado em SBA-15

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016.

Study of ammonia borane and its derivatives: Influence of nanoconfinements and pressures

Recently, ammonia borane has increasingly attracted researchers’ attention because of its merging applications, such as organic synthesis, boron nitride compounds synthesis, and hydrogen storage. This dissertation presents the results from several studies related to ammonia borane. ^ The pressure-induced tetragonal to orthorhombic phase transition in ammonia borane was studied in a diamond anvil cell using in situ Raman spectroscopy. We found a positive Clapeyron-slope for this phase transformation in the experiment, which implies that the phase transition from tetragonal to orthorhombic is exothermic. The result of this study indicates that the rehydrogenation of the high pressure orthorhombic phase is expected to be easier than that of the ambient pressure tetragonal phase due to its lower enthalpy. ^ The high pressure behavior of ammonia borane after thermal decomposition was studied by in situ Raman spectroscopy at high pressures up to 10 GPa. The sample of ammonia borane was first decomposed at ∼140 degree Celcius and ∼0.7 GPa and then compessed step wise in an isolated sample chamber of a diamond anvil cell for Raman spectroscopy measurement. We did not observe the characteristic shift of Raman mode under high pressure due to dihydrogen bonding, indicating that the dihydrogen bonding disappears in the decomposed ammonia borane. Although no chemical rehydrogenation was detected in this study, the decomposed ammonia borane could store extra hydrogen by physical absorption. ^ The effect of nanoconfinement on ammonia borane at high pressures and different temperatures was studied. Ammonia borane was mixed with a type of mesoporous silica, SBA-15, and restricted within a small space of nanometer scale. The nano-scale ammonia borane was decomposed at ∼125 degree Celcius in a diamond anvil cell and rehydrogenated after applying high pressures up to ∼13 GPa at room temperature. The successful rehydrogenation of decomposed nano-scale ammonia borane gives guidance to further investigations on hydrogen storage. ^ In addition, the high pressure behavior of lithium amidoborane, one derivative of ammonia borane, was studied at different temperatures. Lithium amidoborane (LAB) was decomposed and recompressed in a diamond anvil cell. After applying high pressures on the decomposed lithium amidoborane, its recovery peaks were discovered by Raman spectroscopy. This result suggests that the decomposition of LAB is reversible at high pressures.^

Revêtement intelligent à base des silices mésoporeuses fonctionnalisées pour le relargage stimulé d’agents antimicrobiens

Les biofilms bactériens sont composés d’organismes unicellulaires vivants au sein d’une matrice protectrice, formée de macromolécules naturelles. Des biofilms non désirés peuvent avoir un certain nombre de conséquences néfastes, par exemple la diminution du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleurs, l’obstruction de membranes poreuses, la contamination des surfaces coques de navires, etc. Par ailleurs, les bactéries pathogènes qui prolifèrent dans un biofilm posent également un danger pour la santé s’ils croissent sur des surfaces médicales synthétiques comme des implants biomédicaux, cathéters ou des lentilles de vue. De plus, la croissance sur le tissu naturel par certaines souches des bactéries peut être fatale, comme Pseudomonas aeruginosa dans les poumons. Cependant, la présence de biofilms reste difficile à traiter, car les bactéries sont protégées par une matrice extracellulaire. Pour tenter de remédier à ces problèmes, nous proposons de développer une surface antisalissure (antifouling) qui libère sur demande des agents antimicrobiens. La proximité et la disposition du système de relargage placé sous le biofilm, assureront une utilisation plus efficace des molécules antimicrobiennes et minimiseront les effets secondaires de ces dernières. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation d’une couche de particules de silice mésoporeuses comme agents de livraison d’agents antimicrobiens. Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) ont démontré un fort potentiel pour la livraison ciblée d’agents thérapeutiques et bioactifs. Leur utilisation en nano médecine découle de leurs propriétés de porosité intéressantes, de la taille et de la forme ajustable de ces particules, de la chimie de leur surface et leur biocompatibilité. Ces propriétés offrent une flexibilité pour diverses applications. De plus, il est possible de les charger avec différentes molécules ou biomolécules (de tailles variées, allant de l’ibuprofène à l’ARN) et d’exercer un contrôle précis des paramètres d’adsorption et des cinétiques de relargage (désorption). Mots Clés : biofilms, nanoparticules de silice mésoporeuses, microfluidique, surface antisalissure.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.