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.^

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.

Characterization of silica-carbon mesoporous matrix with embedded nickel nanoparticles synthesized by the polymeric precursor method

Nickel nanoparticles into silica-carbon matrix composites were prepared by using the polymeric precursor method. The effects of the polyester type and the time of pyrolysis on the mesoporosity and nickel particle dispersion into non-aqueous amorphous silica-carbon matrix were investigated by thermogravimetric analysis, adsorption/desorption isotherms and TEM. A well-dispersed metallic phase could be only obtained by using ethylene glycol. Weightier polyesters affected the pyrolysis process due to a combination of more amounts of carbonaceous residues and delaying of pyrolysis process. The post-pyrolyzed composites were successfully cleaned at 200 degrees C for I h in oxygen atmosphere leading to an increase in the surface area and without the occurrence of carbon combustion or nickel nanoparticles oxidation. The matrix composites presented predominantly mesoporous with pore size well defined in 38 angstrom, mainly when tetraethylene glycol was used as polymerizing agent. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Magnetically separable mesoporous Fe3O4/silica catalysts with very low Fe3O4 content

Two magnetically separable Fe3O4/SiO2 (aerogel and MSU-X) composites with very low Fe3O4 content (<1 wt%) have been successfully prepared at room temperature by co-condensation of MPTES-functionalized Fe3O4 nanoparticles (NPs) with a silicon alkoxide. This procedure yields a homogeneous incorporation of the Fe3O4 NPs on silica supports, leading to magnetic composites that can be easily recovered using an external magnetic field, despite their very low Fe3O4 NPs content (ca. 1 wt%). These novel hybrid Fe3O4/SiO2 materials have been tested for the oxidation reaction of 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB) with hydrogen peroxide showing an enhancement of the stability of the NPs in the Fe3O4/silica aerogel as compared to the Fe3O4 NPs alone, even after five catalytic cycles, no leaching or agglomeration of the Fe3O4/SiO2 systems.

Complementary surface-enhanced resonance raman spectroscopic biodetection of mixed protein solutions by chitosan- and silica-coated plasmon-tuned silver nanoparticles

Silver nanoparticles with identical plasmonic properties but different surface functionalities are synthesized and tested as chemically selective surface-enhanced resonance Raman (SERR) amplifiers in a two-component protein solution. The surface plasmon resonances of the particles are tuned to 413 nm to match the molecular resonance of protein heme cofactors. Biocompatible functionalization of the nanoparticles with a thin film of chitosan yields selective SERR enhancement of the anionic protein cytochrome b5, whereas functionalization with SiO2 amplifies only the spectra of the cationic protein cytochrome c. As a result, subsequent addition of the two differently functionalized particles yields complementary information on the same mixed protein sample solution. Finally, the applicability of chitosan-coated Ag nanoparticles for protein separation was tested by in situ resonance Raman spectroscopy.

Tailored silica coated Ag nanoparticles for non-invasive surface enhanced Raman spectroscopy of biomolecular targets

Silica coated Ag nanoparticles with defined surface plasmon resonances are used to selectively detect and analyze protein cofactors in solution and on interfaces via surface enhanced resonance Raman spectroscopy. The silica coating has a surprisingly small effect on optical amplification but minimizes unwanted interactions between the protein and the nanoparticle.

Preparation and catalytic studies of palladium nanoparticles stabilized by dendritic phosphine ligand-functionalized silica

Silica is a prominently utilized heterogeneous metal catalyst support. Functionalization of the silica with poly(ether imine) based dendritic phosphine ligand was conducted, in order to assess the efficacy of the dendritic phosphine in reactions facilitated by a silica supported metal catalyst. The phosphinated poly(ether imine) (PETIM) dendritic ligand was bound covalently to the functionalized silica. For this purpose, the phosphinated dendritic ligand containing an amine at the focal point was synthesized initially. Complexation of the dendritic phosphine functionalized silica with Pd(COD)Cl-2 yielded Pd(II) complex, which was reduced subsequently to Pd(0), by conditioning with EtOH. The Pd metal nanoparticle thus formed was characterized by physical methods, and the spherical nanoparticles were found to have >85% size distribution between 2 nm and 4 nm. The metal nanoparticle was tested as a hydrogenation catalyst of olefins. The catalyst could be recovered and recycled more than 10 times, without a loss in the catalytic efficiency.

Space-selective precipitation of Au nanoparticles inside silica gel

Au colloids were prepared by irradiation with a Nd:YAG laser. Au nanoparticles were characterized by absorption spectra, transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis. It is found that the wavelength of the laser has no effect on the size but the number of the Au nanoparticles. By irradiating a transparent silica gel doped with gold ions with the focused laser in the gel and subsequent exposing in air, a space-selective pattern of letter "P" consisting of Au nanoparticles was observed inside the silica gel.