"Catalysis by pillared montmorillonites exchanged with transition metals"

The present work is oriented to obtain a comparative evaluation of the physicochemical properties and catalytic activities of iron, aluminium and iron aluminium mixed pillared montmorillonites and their transition metal exchanged analogues. Reactions of industrial importance like Friedel Crafts alkylations, catalytic wet peroxide oxidation of phenol and MTBE synthesis have been selected for the present study. The thesis is structured into seven chapters. First chapter deals with a brief introduction and literature survey on pillared clays. Second chapter explains the materials and methods employed in the work. Results and discussions on the characterisation techniques are described in the third chapter. The subsequent three chapters describe the catalytic activities of pillared clays in the industrially important reactions. Last chapter comprises the summary of the investigations and the conclusions drawn from the earlier chapters

Convenient synthesis of ketal derivatives from cubebin using amberlite as heterogeneous catalyst

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Heterogeneous catalysts for environmentally sustainable reactions

This PhD work deals with problems of synthetic organic chemistry with particular attention to the development of environmentally friendly processes. In particular, new synthetic strategies have been studied based on the use of low cost heterogeneous catalysts, non-toxic reagents and mild operating conditions that do not involve, when possible, the use of solvents. The catalysts examined are both basic and acids, commercial or prepared by hetereogenization of homogeneous catalysts synthesized by tethering or impregnation. In particular it will be discussed the catalytic activity of oxides (Al2O3 and TiO2), supported sulphonic acids and hydrotalcites for the reactions of selective monoesterificazion of dicarboxylic acids, dehydrogenation of butane in gas phase, esterification of levulinic acid, Friedel-Craft acylations, C-C and C-P coupling. The use of these materials has allowed the development of simple processes with low environmental impact. The operating conditions are in fact mild and reaction times short. The selectivity for the desired products is in all reported cases very high and the catalysts can be recycled maintaining their optimum performances.

Microwave-assisted catalysis by iron oxide nanoparticles on MCM-41: Effect of the support morphology

Catalytically active heterogeneous catalysts have been prepared via microwave deposition of iron oxide nanoparticles (0.5–1.2 wt%) on MCM-41 type silica materials with different morphologies (particles, helical and spheres). This methodology leads to iron oxide nanoparticles composed by a mixture of FeO and Fe2O3 species, being the Fe(II)/Fe(III) peak ratio near to 1.11 by XPS. DRUV spectroscopy indicates the presence of tetrahedral coordinated Fe3+ in the silica framework of the three catalysts as well as some extraframework iron species in the catalysts with particle and sphere-like morphologies. The loading of the nanoparticles does neither affect the mesopore arrangement nor the textural properties of the silica supports, as indicated by SAXS and nitrogen adsorption/desorption isotherms. A detailed investigation of the morphology of the supports in various microwave-assisted catalyzed processes shows that helical mesostructures provide optimum catalytic activities and improved reusabilities in the microwave-assisted redox (selective oxidation of benzyl alcohol) catalyzed process probably due to a combination of lower particle size and higher acidity in comparison with the supports with particle and sphere morphology.

Copper-Impregnated Magnetite as a Heterogeneous Catalyst for the Homocoupling of Terminal Alkynes

Copper-impregnated magnetite is a versatile heterogeneous catalytic system for the synthesis of 1,3-diynes by the homocoupling of terminal alkynes. This catalyst does not require the use of pressurized oxygen as the oxidant and it does not need a solvent or harsh conditions to give the expected products. Moreover, the catalyst can be removed from the reaction medium simply by using a magnet. The reaction occurs at the lowest copper loading reported for any heterogeneous catalyst.

Cobalt-Impregnated Magnetite as General Heterogeneous Catalyst for the Hydroacylation Reaction of Azodicarboxylates

Catalysts consisting of cobalt and nickel impregnated on magnetite have been prepared, characterized and used for the hydroacylation reaction of different azodicarboxylate compounds with aldehydes, using nearly stoichiometric amounts of both reagents in only 3 h. Furthermore, this reaction has been conducted with the smallest amount of catalyst. The cobalt catalyst is stable enough to be removed by magnetic decantation and recycled ten-fold without any detrimental effect on the results.

Heterogeneous catalysts for clean technology:spectroscopy, design, and monitoring

Reactive, but not a reactant. Heterogeneous catalysts play an unseen role in many of today's processes and products. With the increasing emphasis on sustainability in both products and processes, this handbook is the first to combine the hot topics of heterogeneous catalysis and clean technology. It focuses on the development of heterogeneous catalysts for use in clean chemical synthesis, dealing with how modern spectroscopic techniques can aid the design of catalysts for use in liquid phase reactions, their application in industrially important chemistries - including selective oxidation, hydrogenation, solid acid- and base-catalyzed processes - as well as the role of process intensification and use of renewable resources in improving the sustainability of chemical processes. With its emphasis on applications, this book is of high interest to those working in the industry.

Development of Metal–Organic Frameworks for Catalysis : Designing Functional and Porous Crystals

Metal–organic frameworks, or MOFs, have emerged as a new class of porous materials made by linking metal and organic units. The easy preparation, structural and functional tunability, ultrahigh porosity, and enormous surface areas of MOFs have led to them becoming one of the fastest growing fields in chemistry. MOFs have potential applications in numerous areas such as clean energy, adsorption and separation processes, biomedicine, and sensing. One of the most promising areas of research with MOFs is heterogeneous catalysis. This thesis describes the design and synthesis of new, carboxylate-based MOFs for use as catalysts. These materials have been characterized using diffraction, spectroscopy, adsorption, and imaging techniques. The thesis has focused on preparing highly-stable MOFs for catalysis, using post-synthetic methods to modify the properties of these crystals, and applying a combination of characterization techniques to probe these complex materials. In the first part of this thesis, several new vanadium MOFs have been presented. The synthesis of MIL-88B(V), MIL-101(V), and MIL-47 were studied using ex situ techniques to gain insight into the synthesis–structure relationships. The properties of these materials have also been studied. In the second part, the use of MOFs as supports for metallic nanoparticles has been investigated. These materials, Pd@MIL-101–NH2(Cr) and Pd@MIL-88B–NH2(Cr), were used as catalysts for Suzuki–Miyaura and oxidation reactions, respectively. The effect of the base on the catalytic activity, crystallinity, porosity, and palladium distribution of Pd@MIL-101–NH2(Cr) was studied. In the final part, the introduction of transition-metal complexes into MOFs through different synthesis routes has been described. A ruthenium complex was grafted onto an aluminium MOF, MOF-253, and an iridium metallolinker was introduced into a zirconium MOF, UiO-68–2CH3. These materials were used as catalysts for alcohol oxidation and allylic alcohol isomerization, respectively.

Adsorption Calorimetry for Energy Conversion Technologies: Applications in Organic Photovoltaics, Catalysis, and Atomic Layer Deposition

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-07

Niobium-based heterogeneous catalysts synthesised in supercritical carbon dioxide for selective olefin epoxidation

In this work, two different protocols for the synthesis of Nb2O5-SiO2 with a sol-gel route in which supercritical carbon dioxide was used as solvent have been developed. The tailored design of the reactor allowed the reactants to come into contact only when supercritical CO2 is present, and the high-throughput experimentation scCO2 unit allowed the screening of synthetic parameters, that led to a Nb2O5 incorporation into the silica matrix of 2.5 wt%. N2-physisorption revealed high surface areas and the presence of meso- and micropores. XRD allowed to demonstrate the amorphous character of these materials. SEM-EDX proved the excellent dispersion of Nb2O5 into the silica matrix. These materials were tested in the epoxidation of cyclooctene with hydrogen peroxide, which is considered an environmentally friendly oxidant. The catalysts were virtually inactive in an organic, polar, aprotic solvent (1,4-dioxane). However, the most active scCO2 Nb2O5-SiO2 catalyst achieved a cyclooctene conversion of 44% with a selectivity of 88% towards the epoxide when tested in ethanol. Catalytic tests on cyclohexene revealed the presence of the epoxide, which is remarkable, considering that this substrate is easily oxidised to the diol. The behaviour in protic and aprotic solvents is compared to that of TS-1.

Porous clays and pillared clays-based catalysts. Part 2: A review of the catalytic and molecular sieve applications

Metal oxide pillared clay (PILC) possesses several interesting properties, such as large surface area, high pore volume and tunable pore size (from micropore to mesopore), high thermal stability, strong surface acidity and catalytic active substrates/metal oxide pillars. These unique characteristics make PILC an attractive material in catalytic reactions. It can be made either as catalyst support or directly used as catalyst. This paper is a continuous work from Kloprogge's review (J.T. Kloprogge, J. Porous Mater. 5, 5 1998) on the synthesis and properties of smectites and related PILCs and will focus on the diverse applications of clay pillared with different types of metal oxides in the heterogeneous catalysis area and adsorption area. The relation between the performance of the PILC and its physico-chemical features will be addressed.

Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Produção de biodiesel via catálise heterogénea básica

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.