Catalytic transformation of aliphatic alcohols to corresponding esters in O2 under neutral conditions using visible-light irradiation

Selective oxidation of aliphatic alcohols under mild and base-free conditions is a challenging process for organic synthesis. Herein, we report a one-pot process for the direct oxidative esterification of aliphatic alcohols that is significantly enhanced by visible-light irradiation at ambient temperatures. The new methodology uses heterogenerous photocatalysts of gold–palladium alloy nanoparticles on a phosphate-modified hydrotalcite support and molecular oxygen as a benign oxidant. The alloy photocatalysts can absorb incident light, and the light-excited metal electrons on the surface of metal nanoparticles can activate the adsorbed reactant molecules. Tuning the light intensity and wavelength of the irradiation can remarkably change the reaction activity. Shorter wavelength light (<550 nm) drives the reaction more efficiently than light of longer wavelength (e.g., 620 nm), especially at low temperatures. The phosphate-exchanged hydrotalcite support provides sufficient basicity (and buffer) for the catalytic reactions; thus, the addition of base is not required. The photocatalysts are efficient and readily recyclable. The findings reveal the first example of using “green” oxidants and light energy to drive direct oxidative esterification of aliphatic alcohols under base-free, mild conditions.

Spin-Probe ESR Studies on Nanocomposite Polymer Electrolytes

The possibility of using spin-probe electron spin resonance (ESR) as a tool to study glass transition temperature, T g, of polymer electrolytes is explored in 4 hydroxy 2,2,6,6 tetramethylpiperidine N oxyl (TEMPOL) doped composite polymer electrolyte (PEG)46LiClO4 dispersed with nanoparticles of hydrotalcite. The T g is estimated from the measured values of T 50G, the temperature at which the extrema separation 2A zz of the broad powder spectrum decreases to 50 G. In another method, the correlation time τc for the spin probe dynamics was determined by computer simulation of the ESR spectra and T g has been identified as the temperature at which τc begins to show temperature dependence. While both methods give values of T g close to those obtained from differential scanning calorimetry, it is concluded that more work is required to establish spin-probe ESR as a reliable technique for the determination of T g.

Stabilized alpha-Ni(OH)2 as electrode material for for alkaline secondary cells

Hydrotalcite-like compounds of formula Ni1-xAl(x)(OH)2(CO3)x/2 . nH2O (x = 0.1 to 0.25), having the same structure as that of alpha-Ni(OH)2, have been synthesized by substituting nickel hydroxide with aluminum. Of these, the compounds of compositions x greater-than-or-equal-to 0.2 are found to have prolonged stability in strong alkaline medium. The electrodes comprising stabilized alpha-Ni(OH)2 of x = 0.2 composition are rechargeable with discharge-capacity values of 240 (+/- 15) mAh-g-1 and are attractive for applications in various alkaline secondary cells employing nickel-positive electrodes.

Estudo de pirólise catalítica de biomassa em escala piloto para melhoramento da qualidade do bio-óleo

A pirólise rápida é um processo para conversão térmica de uma biomassa sólida em altos rendimentos de um produto líquido chamado de bio-óleo. Uma das alternativas para geração de um bio-óleo com menor teor de oxigênio é uso de catalisadores nos reatores de pirólise, ao invés de um inerte, num processo chamado de pirólise catalítica. O objetivo deste trabalho foi testar catalisadores comerciais, um ácido e outro básico, em uma unidade piloto de leito fluidizado circulante. O catalisador ácido utilizado foi o Ecat, proveniente de uma unidade industrial de craqueamento catalítico fluido (FCC), e como catalisador básico foi utilizado uma hidrotalcita. Os resultados foram comparados com testes utilizando um material inerte, no caso uma sílica. Uma unidade piloto de FCC do CENPES foi adaptada para realizar os testes de pirólise catalítica. Após fase de modificação e testes de condicionamento, foi comprovada a viabilidade na utilização da unidade piloto adaptada. Contudo, devido a limitações operacionais, maiores tempos de residência tiveram que ser aplicados no reator, configurando o processo como pirólise intermediária. Foram então realizados testes com os três materiais nas temperaturas de 450C e 550C. Os resultados mostraram que o aumento do tempo de residência dos vapores de pirólise teve um impacto significativo nos rendimentos dos produtos quando comparada com o perfil encontrado na literatura para pirólise rápida, pois devido ao incremento das reações secundárias, produziu maiores rendimentos de coque e água, e menores rendimentos de bio-óleo. O Ecat e a hidrotalcita se apresentaram mais efetivos em termos de desoxigenação. O primeiro apresentou maiores taxas de desoxigenação via desidratação e a hidrotalcita apresentou maior capacidade para descarboxilação. Contudo, o uso de Ecat e hidrotalcita não se mostrou adequado para uso em reatores de pirólise intermediária, pois acentuou ainda mais as reações secundárias, gerando um produto com alto teor de água e baixo teor de compostos orgânicos no bio-óleo, além de produzirem mais coque. À temperatura de 450C estes efeitos foram mais pronunciados. Em termos de caracterização química, a condição de pirólise intermediária apontou para a produção de bio-óleos com perfil fenólico, sendo a sílica o que proporcionou os melhores rendimentos, principalmente a temperatura de 550C, sendo superiores aos encontrados na literatura. Analisando as composições dos bio-óleos sob a ótica da produção de biocombustíveis, nenhum dos materiais testados apresentou rendimentos consideráveis em hidrocarbonetos. De maneira geral, a sílica foi o que proporcionou os melhores resultados em termos de rendimento e qualidade do bio-óleo. Sua menor área superficial e sua característica de inerte se mostraram mais adequados para o processo de pirólise intermediária, onde a contribuição das reações secundárias em fase gasosa é elevada em função do tempo de residência no reator

Avaliação de aditivos para remoção catalítica de SOx em unidades de fcc

Os óxidos de enxofre (SOx) são um dos maiores poluentes atmosféricos e um dos precursores da chuva ácida. Um levantamento feito na Petrobrás mostrou que cerca de 17% dos SOx emitidos numa refinaria são oriundos do processo de FCC. Com o avanço dos controles ambientais, traduzido numa legislação mais restritiva, a técnica de incorporação de aditivos para remoção de SOx em UFCCs apresenta-se como a alternativa de menor custo frente outras tecnologias de abate das emissões de SOx. No presente trabalho, foram estudados aditivos constituídos por compostos derivados de hidrotalcitas com a substituição parcial do magnésio e do alumínio por cobre e/ou manganês, sendo estes impregnados ou não por dióxido de cério. Estes aditivos foram submetidos a testes de desempenho em uma unidade multi-propósito acoplada a um micro-GC/TCD. Em todos os testes, a corrente gasosa para a etapa de adsorção oxidativa foi de 1700 ppm de SO2 e 1,5% O2 em He e, para a etapa de regeneração, 30% H2/He. No primeiro conjunto de testes, realizou-se uma adsorção a 720C de 10 min e regeneração com um patamar a 530C, seguido de um TPR até 800C. Observou-se que as amostras impregnadas com cério apresentaram o melhor desempenho na remoção de SO2, indicando que o cério pode ter um papel de promotor da oxidação de SO2 a SO3. Os resultados do TPR mostram que as amostras com cério e com manganês parecem apresentar menores temperaturas de redução dos sulfatos, apesar das maiores liberações de H2S serem identificadas nas amostras com cobre. No segundo conjunto de testes, a adsorção foi a 720C durante 35 min e a regeneração a 650C por 5 minutos em um patamar de 5 minutos, seguida de um TPR até 800C. Para os tempos de sulfatação curtos (5 e 10 min), os resultados confirmaram o efeito positivo que a incorporação de CeO2 apresenta sobre a adsorção oxidativa do SO2. Todavia, para tempos de reação maiores (35 min), não se observou uma correlação clara entre a composição química do catalisador e a quantidade total de SOx removida. Os aditivos foram ainda testados em ciclos de reação-regeneração em condições equivalentes ao segundo conjunto de testes descrito. De um modo geral, os aditivos que contêm cobre têm uma vida útil superior aos demais, possivelmente, pelo fato do cobre ter importante papel na regeneração do aditivo

Obtenção de nanocompósitos a partir da co-coagulação da borracha nitrílica e hidrotalcita

Partículas nanoestruturadas têm sido amplamente utilizadas como carga de reforço em matrizes elastoméricas, sendo substitutos eficazes das cargas convencionais, já consagradas, como o negro de fumo, mica, sílica. Em especial, as argilas têm mostrado grande potencial ao que se refere a melhor dispersão na matriz polimérica, em função de sua elevada razão de aspecto. Dentro do vasto universo de argilominerais, as argilas aniônicas, também conhecidas hidróxido duplo lamelar (HDL), apresentam como vantagem a possibilidade de ser projetada estruturalmente para as mais diversas finalidades, ao se modificar os ânions ou os cátions, ou até mesmo combiná-los na estrutura lamelar. E dentre os métodos existentes para se preparar compósitos a base de elastômero/argila, a co-coagulação do látex, é uma forma bastante eficaz e economicamente viável, uma vez que a borracha obtida após processo de coagulação já contém a carga incorporada. Este trabalho se dedicou a avaliar o processo de co-coagulação do látex de NBR e HDL, visando a obtenção de nanocompósitos. Para tanto HDL de composição Mg/Al-CO3 foi modificado com ânions DS, DBS e ST e foram preparadas suspensões aquosas, utilizando como ferramentas de dispersão ultraturrax e ultrassom de ponteira. As variáveis de processo avaliadas foram tipo e teor de HDL, tempo de mistura látex/suspensão aquosa de HDL, quantidade de coagulante e velocidade de agitação. Por fim, os coágulos obtidos foram formulados para avaliar a influência dos HDL na cinética de vulcanização e também para determinação das propriedades mecânicas convencionais. Os resultados obtidos comprovaram que a metodologia de dispersão de hidrotalcita ao látex nitrílico de modo prévio ao processo de coagulação é uma alternativa viável para a obtenção de nanocompósitos. O uso do ultrassom de ponteira como ferramenta na dispersão aquosa de HDL contribuiu para maior estabilidade da suspensão e o ajuste nos parâmetros do sistema de coagulação, levaram a obtenção de grumos uniformes do ponto de vista macroscópico e microscópico. As micrografias dos coágulos não vulcanizados obtidas por MEV-FEG confirmaram as informações apuradas a partir dos difratogramas de raios-X que apontou a formação de um sistema parcialmente esfoliado, em função da ausência dos picos característicos da hidrotalcita, além de indicarem a coexistência de partículas em dimensões micrométrica a nanométricas em uma mesma estrutura. A composição química do HDL, com a presença de átomos de magnésio e alumínio combinados com grupos hidroxila favoreceu a redução tanto o tempo de indução como de pré-cura. As propriedades mecânicas que se mostraram mais sensíveis ao grau de dispersão da carga foram a dureza, a deformação permanente à compressão (DPC) e o módulo de tração a 300% de deformação (E300), em especial para os compósitos contendo 10% m/m de HDL natural e modificado com estearato. A resistência à chama dos nanocompósitos de NBR-HDL vulcanizados apresentou um ligeiro aumento quando comparados à NBR pura, visto que esta é uma característica própria da hidrotalcita, decorrente da sua composição química

Estudo da redução do NO pelo CO usando catalisadores de ródio suportado em óxido misto de cério e zircônio e óxido misto derivado de hidrotalcita

Esta tese teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de Rh suportados em cério-zircônio (CZ) e em óxido misto de magnésio e alumínio (HT) derivado de hidrotalcita na reação de redução do NO pelo CO em meio estequiométrico. Os suportes puros e impregnados com Rh foram nomeados CZ, RhCZ, HT e RhHT. Os suportes foram preparados por coprecipitação e o metal nobre foi adicionado no teor de 0,15% (m/m) por impregnação a seco. Foram realizados testes de caracterização como fisissorção de N2, DRX, TPR, espectroscopia Raman, DRIFTS, TGA-DTA e TPD-CO/NO. Para a avaliação catalítica, foi utilizada uma mistura de 1%NO + 1%CO em He e a atividade e seletividade foram expressas através das concentrações dos gases envolvidos ao longo de uma rampa de temperatura desde a temperatura ambiente até 500C. Os resultados de caracterização indicaram nítidas diferenças estruturais e físico-químicas entre os dois tipos de catalisadores nas isotermas de adsorção de N2, nos perfis de redução e nos difratogramas, já dando indícios de que os mecanismos de reação seriam diferentes. Pelas análises de DRIFTS identifica-se a presença de bandas características de espécies de CO adsorvidas no Rh somente para o catalisador RhCZ a baixa temperatura, ressaltando a interação Rh-CZ, também evidenciadas pelos resultados de Raman, mas que provavelmente não ocorrem com o óxido misto de Al e Mg. Observou-se que o suporte de CZ foi mais ativo a baixas temperaturas que o suporte de HT, porém o catalisador RhHT foi mais seletivo a N2 a 350C e emitiu menos N2O ao longo da faixa de temperatura avaliada do que o catalisador RhCZ. Resultados de TPD de NO e comparações de curvas experimentais e teóricas envolvendo as concentrações de CO, CO2 e NOx durante os testes catalíticos, acompanhados também pelas análises de DRIFTS nas mesmas condições, indicam que a redução do Rh e a afinidade do catalisador pelo NO são importantes para favorecer a maior seletividade da reação de redução do NO pelo CO a N2.

Síntese, caracterização e aplicações na desidrogenação oxidativa de propano de materiais tipo hidrotalcita Ni-Mg-Al com diferentes ânions de compensação

Na reação de desidrogenação oxidativa de propano (ODHP), propano reage com oxigênio da superfície de metais de transição para produzir propeno e água, em temperaturas de 300-700C. Porém, o propeno pode facilmente oxidar, formando CO e CO2. Assim, busca-se catalisadores que promovam a seletividade do propeno. Compostos tipo hidrotalcitas estão sendo apontados como catalisadores de grande potencial para a reação. Portanto, o principal objetivo desse trabalho foi sintetizar precursores tipo hidrotalcitas (contendo íons Ni2+, Mg2+ e Al3+ e tereftalato, heptamolibdato e decavanadato como ânions de compensação) para serem testados na reação de desidrogenação oxidativa de propano. Esses precursores foram sintetizados com uma razão Al/(Al+Ni+Mg)=0,5, variando a razão de Ni/Mg. Além disso, realizou-se a troca iônica do tereftalato (TA) por heptamolibdato (Mo7O24) e decavanadato (V10O28). Esses compostos foram calcinados, obtendo-se assim, óxidos mistos de NiMgAl, NiMgAlMo e NiMgAlV que foram testados como catalisadores na reação de ODHP. Para a determinação das propriedades dos catalisadores foram usadas as técnicas de caracterização: DRX, TGA, volumetria de N2, TPR, Raman e FTIR e ICP. Os resultados indicaram que os materiais tipo hidrotalcita foram obtidos com sucesso. No caso dos precursores preparados por troca iônica a cristalinidade foi menor que os da série NiMgAl-TA. Estes mesmos precursores quando calcinados apresentaram áreas muito altas. Nas três séries, os precursores calcinados são constituídos por óxidos mistos como NiO, NiMoO4, Ni2V2O7 cristalinos e espécies de alumínio e magnésio não detectados na DRX. No teste catalítico de ODHP, observou-se que com o aumento da conversão diminuía a seletividade de propeno, para os óxidos mistos que não continham molibdênio. Os catalisadores da série molibdênio foram os que obtiveram melhor desempenho com altas seletividades, mesmo em altas conversões e a série de cujo precursor foi o tereftalato foi a que exibiu maiores conversões, mas com seletividades menores que da série de Mo

Materiais tipo hidrotalcita contendo Cu como precursores de catalisadores para a redução de NO pelo CO

Dentre os óxidos de nitrogênio, o N2O é um gás do efeito estufa altamente nocivo. Devido ao potencial contaminante que este possui, torna-se importante a implementação de processos capazes de reduzir a sua emissão, bem como a dos NOx. Tradicionalmente, têm-se empregado catalisadores baseados em metais nobres, porém estes apresentam como principal desvantagem o elevado custo. Desse modo, sempre houve o interesse pelo uso de outros tipos de catalisadores e metais neste sistema de reação. Nesse contexto, na presente dissertação procurou-se sintetizar precursores de catalisadores tipo hidrotalcita Cu-AlCO3 e avaliar o seu desempenho na reação de redução do NO pelo CO, visando melhorar a atividade e a seletividade a N2. Foram estudados diversos parâmetros de síntese e diferentes composições. Os parâmetros mais influentes na síntese foram a relação molar H2O/(Al+Cu) e a temperatura de secagem do sólido, cujos melhores valores foram 434 e 25C, respectivamente. Testaram-se dois sólidos, o primeiro composto pela fase hidrotalcita quase pura e o segundo com uma clara mistura entre fases hidrotalcita e malaquita. As análises térmica e química revelaram presença da fase malaquita em ambos os materiais com porcentagens de 14 e 40%, respectivamente. Os resultados de difração de raios X indicaram a presença da fase CuO para os catalisadores provenientes da calcinação dos materiais tipo hidrotalcita, porém a espectroscopia Raman evidenciou a presença de Cu2O no catalisador proveniente do material com maior mistura de fases. Os ciclos redox mostraram uma melhora na redutibilidade dos catalisadores após um ciclo de oxidação-redução. Além disso, foi estudado o impacto do envelhecimento térmico a 900C por 12 h no desempenho dos catalisadores. Pelos resultados de teste catalítico os melhores desempenhos foram alcançados pelos catalisadores envelhecidos, contudo o catalisador proveniente do precursor mais puro apresentou-se melhor tanto novo como envelhecido em termos de menor rendimento de N2O. Uma comparação com catalisadores à base de metal nobre mostrou um bom desempenho dos catalisadores à base de cobre, com a vantagem destes apresentarem menor emissão de N2O em temperaturas menores

Strength and drying shrinkage of reactive MgO modified alkali-activated slag paste

Conventional alkali-activated slag (AAS) cements suffer from significant drying shrinkage which hinders their widespread application. This paper investigates the potential of using commercial reactive MgO to reduce the drying shrinkage of AAS. Two different reactive MgOs were added at a content of 2.5-7.5 wt% of the slag, which was activated by sodium hydroxide and water-glass. The strength and the drying shrinkage of those reactive MgO modified AAS (MAAS) pastes were measured up to 90 days. It is found that MgO with high reactivity accelerated the early hydration of AAS, while MgO with medium reactivity had little effect. The drying shrinkage was significantly reduced by highly reactive MgO but it also generated severe cracking under the dry condition. On the other hand, medium-reactive MgO only showed observable shrinkage-reducing effect after one month, but the cement soundness was improved. The hydration products, analysed by X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and scanning electron microscopy techniques, showed that Mg was mainly incorporated in the hydrotalcite-like phases. It is concluded that the curing conditions and the time of hydrotalcite-like phases formation and their quantity are crucial to the developed strength and shrinkage reduction properties of MAAS, which are highly dependent on the reactivity and content of reactive MgO. Crown Copyright © 2013 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Properties of two model soils stabilized with different blends and contents of GGBS, MgO, lime, and PC

This paper addresses the use of ground granulated blast furnace slag (GGBS) and reactive magnesia (MgO) blends for soil stabilization, comparing them with GGBS-lime blends and Portland cement (PC) for enhanced technical performance. A range of tests were conducted to investigate the properties of stabilized soils, including unconfined compressive strength (UCS), permeability, and microstructural analyses by using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The influence of GGBS:MgO ratio, binder content, soil type, and curing period were addressed. The UCS results revealed that GGBS-MgO was more efficient than GGBS-lime as a binder for soil stabilization, with an optimum MgO content in the range of 5-20% of the blends content, varying with binder content and curing age. The 28-day UCS values of the optimum GGBS-MgO mixes were up to almost four times higher than that of corresponding PC mixes. The microstructural analyses showed the hydrotalcite was produced during the GGBS hydration activated by MgO, although the main hydration products of the GGBS-MgO stabilized soils were similar to those of PC. © 2014 American Society of Civil Engineers.

Properties and microstructure of GGBS-magnesia pastes

Reactive magnesia (MgO) was used as an alkali activator for ground granulated blast-furnace slag (GGBS) and its activating efficiency was investigated compared with hydrated lime. GGBS-MgO and GGBS-hydrated lime paste samples with different compositions and different water to solid ratios were prepared and cured for different periods. A range of tests was conducted to investigate the properties and microstructure of the pastes, including compressive strength, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, energy dispersive X-ray and thermogravimetric analysis. The results showed that the reactive MgO acts as an effective alkali activator of GGBS, achieving higher 28-day compressive strength than that of the corresponding GGBS-hydrated lime system. The extensive microstructural investigation indicated that the main hydration product of reactive MgO-activated GGBS and hydrated lime-activated GGBS systems was hydrated calcium silicate, but there was much more hydrotalcite present in the former, which contributed to its superior 28-day compressive strength.

NOx storage-reduction over Pt/Mg-Al-O catalysts with different Mg/Al atomic ratios

A series of Pt/Mg-Al-O catalysts with different Mg/Al atomic ratios were prepared. The NOx storage capacities of these catalysts were measured by isothermal storage at 350 degreesC. It was found that the NOx storage capacity increased with increasing Mg/Al atomic ratios. The catalytic behaviors of Pt/Mg-Al-O and Pt/MgO were studied with storage-reduction cycles at 400 degreesC. Under oxidizing conditions, NOx concentration in the outlet gas gradually increased with time, which indicated the catalysts could store NOx effectively. After a switch from oxidizing conditions to reducing conditions, NOx desorption peak emerged immediately due to the incomplete reduction of stored NOx, which lowered the total NOx conversion. With increasing Mg/Al atomic ratio in the catalysts, NOx conversion increases. Pt/MgO has the highest NOx conversion because of its best activity in the reduction of NOx by C3H6. It seems that with an increasing amount of MgO in the catalysts, the self-poisoning of Pt-sites by adsorbed species during the reaction of NOx with C3H6 may be inhibited effectively.

Hydrogenation of phenol in scCO(2) over carbon nanofiber supported Rh catalyst

A catalyst of Rh nanoparticles supported on a carbon nanofiber, 5 wt.% Rh/CNF, with an average size of 2-3 nm has been prepared by a method of incipient wetness impregnation. The catalyst presented a high activity in the ring hydrogenation of phenol in a medium of supercritical CO2 (scCO(2)) at a low temperature of 323 K. The presence of compressed CO2 retards hydrogenation of cyclohexanone to cyclohexanol under the reaction conditions used, and this is beneficial for the formation of cyclohexanone, increasing the selectivity to cyclohexanone.

Catalytic reduction of NO, by CO on hydrotalcites-derived mixed oxides CoAlM and MgAlM (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu)

Two series of mixed oxides, CoAlM and MgAlM (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu), were prepared by calcining their corresponding hydrotalcite-like compounds (HTLc). The ratio of Mg: Al: M (or Co: Al: hi) was 3:1:1. The catalytic activity of all samples for the reaction of NO + CO was investigated. The results showed that the activity of CoAlM was much higher than that of MgAlM. The structure and the property of redox were characterized by XRD and H-2-TPR. The results indicated that only MgO phase was observed after calcining MgAlM hydrotalcites, and the transition metals became more stable. The spinel-like phase appeared in all of CoAlM samples after the calcination, and the transition metals were changed to be more active, and easily reduced. The activities of three series of mixed oxides CoAlCu obtained from different preparation methods, different ratio of Co:Al: Cu and at different calcination temperatures, were studied in detail for proposing the mechanism of reaction. The ability of adsorption of NO and CO were investigated respectively for supporting the mechanism.