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.

Enhanced hydrogen separation by vertically-aligned carbon nanotube membranes with zeolite imidazolate frameworks as a selective layer

Vertically-aligned carbon nanotube (VACNT) membranes show very high permeation fluxes due to the inherent smooth and frictionless nature of the interior of the nanotubes. However, the hydrogen selectivities are all in the Knudsen range and are quite low. In this study we grew molecular sieve zeolite imidazolate frameworks (ZIFs) via secondary seeded growth on the VACNT membranes as a gas selective layer. The ZIF layer has a thickness of 5–6 μm and shows good contact with the VACNT membrane surface. The VACNT supported ZIF membrane shows much higher H2 selectivity than Ar (7.0); O2 (13.6); N2 (15.1) and CH4 (9.8). We conclude that tailoring metal–organic frameworks on the membrane surface can be an effective route to improve the gas separation performance of the VACNT membrane.

Effect of the method of preparation and pretreatment on the texture of alumina and related catalysts

The effect of the method of preparation and pretreatment on catalyst texture was investigated in the case of alumina, silica-alumina, 10 × molecular sieve and thoria catalysts. All the catalysts were characterised with respect to their specific surface area, surface acidity, pore size distribution and pore volume. The above properties were found to reflect the textural changes that might have been undergone by the catalyst surface as a result of the method of preparation and pretreatment. The method of preparation was found to influence markedly the acidity of the surface and to a lesser extent the surface area and pore size distribution. Acid-treatment was found to increase selectively the acidity of the catalyst while heat-treatment was found to decrease proportionally the acidity as well as surface area of the catalyst.

Influence of non-geometrical factors on intracrystalline diffusion -- Role of sorbate-zeolite interactions

Molecular dynamics simulations on Xe in NaY and Ar in NaCaA zeolite are reported. Rates of cage-to-cage crossovers in the two zeolites exhibit trends which are contrary to that expected from geometrical considerations. The results suggest the important role of the sorbate-zeolite interactions in determining the molecular sieve properties of zeolites for small sized sorbates. The results are explained in terms of the barrier height for cage-to-cage crossover in the two zeolites.

Diffusion of sorbates in zeolites Y and A novel dependence on sorbate size and strength of sor ba t e-Zeoli t e interaction

A systematic investigation of monatomic spherical sorbates in the supercages of zeolites Y and A by molecular dynamics technique is presented. Rates of intercage diffusion, rates of cage visits, and the diffusion coefficients have been calculated as a function of the sorbate-zeolite interaction strength. These properties exhibit markedly different dependences on interaction strength for the two zeolites. The observed behavior is shown to be a consequence of the two principal mechanisms of intercage diffusion and the energetic barrier associated with them. The diffusion coefficient and other properties associated with intercage diffusion are found to be directly proportional to the reciprocal of the square of the sorbate diameter when the sorbate diameter is significantly smaller than the window diameter. As the sorbate diameter increases, a peak is observed in all the transport properties investigated including the diffusion coefficient. We call this surprising effect as the ring or levitation effect and it explains several anomalous results reported in the literature and suggests a breakdown of the geometrical criterion for diffusion of sorbates. It shows that under certain conditions nongeometrical factors play a major role and geometrical factors become secondary in the determination of the molecular sieve property. A generalized parameter has been proposed which suggests conditions under which one can expect the ring or levitation effect in any porous medium. Inverse size selectivity becomes operative under these conditions.

Esterification of stearic acid with p-cresol over modified Indian bentonite clay catalysts

The esterification of stearic acid with p-cresol using modified Indian bentonite clay catalysts has been reported. The reaction was studied over exchanged clays, acid activated clays, exchanged acid activated clays, aluminium pillared clay, aluminium pillared acid activated clay, molecular sieve Al-MCM-41, zeolite H beta, ZrO2, S-ZrO2, p-TSA, montmorillonite K10, and montmorillonite KSF in o-xylene for 6 h. The catalysts were characterized by X-ray diffraction and surface area measurements. The acidity was determined by n-butylamine back-titration method and DRIFTS after pyridine adsorption. Acid activated Indian bentonite (AAIB) was found to be a better catalyst compared to other catalysts in the esterification of stearic acid with p-cresol.

Síntese de sebacato de dioctila empregando lipases

A crescente demanda por lubrificantes obtidos a partir de fontes renováveis vem incentivando a pesquisa por alternativas sustentáveis. O objetivo principal deste trabalho foi investigar a síntese de sebacato de dioctila a partir da reação de esterificação entre o ácido sebácico e o 1-octanol empregando biocatalisadores e catalisador químico convencional (ácido sulfúrico). Alguns parâmetros reacionais foram estudados: tipo de lipase comercial imobilizada (Novozym 435, Lipozyme RM IM e Lipozyme TL IM), temperatura, razão molar ácido/álcool, concentração de lipase, métodos de remoção da água do meio reacional. A reutilização da lipase Novozym 435 também foi avaliada. A conversão da reação foi determinada por cromatografia em fase gasosa. A lipase Novozym 435 apresentou os melhores resultados: 100% de conversão de ácido sebácico quando foi empregada razão molar ácido:álcool de 1:5 e 5% m/m de lipase, após 150 minutos de reação a 100C. O emprego de peneira molecular e vácuo não aumentou a conversão do ácido sebácico. O produto final foi caracterizado com relação à viscosidade, ao índice de viscosidade, ao ponto de fulgor, ao ponto de fluidez e ao índice de neutralização, e apresentou comportamento semelhante a um óleo naftênico

Upgrading bio-oil over different solid catalysts

Solid acid 40SiO(2)/TiO2-SO42- and solid base 30K(2)CO(3)/Al2O3-NaOH were prepared and compared with catalytic esterification activity according to the model reaction. Upgrading bio-oil by solid acid and solid base catalysts in the conditioned experiment was investigated, in which dynamic viscosities of bio-oil was lowered markedly, although 8 months of aging did not show much viscosity to improve its fluidity and enhance its stability positively. Even the dehydration by 3A molecular sieve still kept the fluidity well. The density of upgraded bio-oil was reduced from 1.24 to 0.96 kg/m(3), and the gross calorific value increased by 50.7 and 51.8%, respectively. The acidity of upgraded bio-oil was alleviated by the solid base catalyst but intensified by the solid acid catalyst for its strong acidification. The results of gas chromatography-mass spectrometry analysis showed that the ester reaction in the bio-oil was promoted by both solid acid and solid base catalysts and that the solid acid catalyst converted volatile and nonvolatile organic acids into esters and raised their amount by 20-fold. Besides the catalytic esterification, the solid acid catalyst carried out the carbonyl addition of alcohol to acetals. Some components of bio-oil undertook the isomerization over the solid base catalyst.

Length dependence of electron conduction for oligo(1,4-phenylene ethynylene)s: A conductive probe-atomic force microscopy investigation

The dependence of electron conduction of oligo(1,4-phenylene ethynylene)s (OPEs) on length, terminal group, and main chain structure was examined by conductive probe-atomic force microscopy (CP-AFM) via a metal substrate-molecular wire monolayer-conductive probe junction. The electron transport in the molecular junction was a highest occupied molecule orbital (HOMO)-mediated process following a coherent, non-resonant tunneling mechanism represented by the Simmons equation.