Desenvolvimento de catalisadores heterogêneos hierarquicamente estruturados com estrutura cristalográfica mista para potencial produção de moléculas de alto valor agregado derivadas de biomassa - Medeiros, Vinicius Litrenta [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Neste trabalho visou-se a síntese e caracterização de novos metalossilicatos a base de Cr, Mo, Ni, Sn e V hierarquicamente estruturados, utilizando um polímero surfactante (cloreto de poli(dialildimetilamônio)) como promotor de mesoporos, e a aplicação desses materiais com como catalisadores heterogêneos para a valorização de moléculas derivadas de biomassa. A fim de amplificar a atividade catalítica desses materiais, suas superfícies foram moduladas por impregnação com metais de transição (Cu ou Fe). Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas físico-químicas como Adsorção/dessorção de N2, Difração de Raios-X (DRX), Redução Programada em Hidrogênio (H2-TPR), Espectroscopia de Emissão Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES), Microscopias Eletrônica de Transmissão e Varredura (MET e MEV), Dessorção programada de amônia (NH3-TPD) e Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios-X (XPS). Os dados de DRX indicam que novos metalossilicatos foram sintetizados com reflexões não identificadas na literatura, esses dados também indicam que o processo de impregnação foi bem-sucedido. Os dados de análise textural indicam que o cromo e o níquel silicatos sintetizados são materiais mesoporosos (diâmetro médio de poros de 5,4nm e 5,3 nm respectivamente), já os outros três materiais sintetizados apresentaram baixíssima área específica (2,3 m2.g-1 para o molibdênico silicato, 2 m2.g-1 para o estanho silicato e 2,3 m2.g-1 para o vanádio silicato). Os outros dados de caracterização corroboram com esses dados indicando que novos materiais foram produzidos, porém não sendo hierarquicamente estruturados. Os resultados catalíticos para os materiais foram: O cromo silicato sintetizado e impregnado com cobre (10% em massa) apresentou resultado catalítico promissor para a conversão do furfural em álcool furfurílico, gerando 100% de conversão e 86% de seletividade. Esse material também apresentou potencial de reuso, apresentando a eficiência inalterada após três ciclos de reuso. O molibdênio silicato sintetizado quando testado como catalisador para a conversão da frutose em 5-hidroximetilfurfural foi capaz de converter 37% da frutose e gerar o produto desejado com 88% de seletividade. Esse material após ser impregnado com ferro (10% em massa) também apresentou atividade promissora para a conversão do 5-hidroximetilfurfural em ácido levulínico com conversão de 29% e seletividade de 22%. Por sua vez, o níquel silicato produzido também apresentou resultados catalíticos promissores, especialmente para a conversão do álcool furfurílico em álcool tetrahidrofurfurílico, com 100% de conversão e 47% de seletividade. Esse material perdeu 50% de sua eficiência catalítica após três ciclos de reuso nesse sistema. Já o estanho silicato impregnado com cobre (10% em massa) apresentou resultado promissor na conversão do 2-hidroxitetrahidropirano em delta-velerolactona, apresentando conversão de 15% e seletividade de 46%. Por fim, o vanádio silicato produzido e impregnado com ferro (10% em massa) também apresentou resultado relevante para a conversão do 5-hidroximetilfurfural em ácido levulínico com conversão de 18% e seletividade de 51%. Os dados catalíticos indicam que os novos materiais produzidos durante a execução deste trabalho são catalisadores heterogêneos promissores para os sistemas estudados.

This work aimed to synthesize and characterize new hierarchically structured metalosilicates based on Cr, Mo, Ni, Sn, and V, using a surfactant polymer (poly(diallyldimethylammonium chloride)) as a mesopore promoter, and to apply these materials as heterogeneous catalysts for the valorization of biomass-derived molecules. To enhance the catalytic activity of these materials, their surfaces were modified by impregnation with transition metals (Cu or Fe). The materials were characterized by different physicochemical techniques such as N₂ adsorption/desorption, X-ray diffraction (XRD), temperature-programmed reduction with hydrogen (H₂-TPR), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), transmission and scanning electron microscopy (TEM and SEM), temperature-programmed desorption of ammonia (NH₃-TPD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XRD data indicate that new metalosilicates were successfully synthesized, with reflections not previously reported in the literature, and that the impregnation process was successful. Textural analysis data show that the synthesized chromium and nickel silicates are mesoporous materials (with average pore diameters of 5.4 nm and 5.3 nm, respectively), while the other three synthesized materials exhibited very low specific surface areas (2.3 m²·g⁻¹ for molybdenum silicate, 2 m²·g⁻¹ for tin silicate, and 2.3 m²·g⁻¹ for vanadium silicate). Other characterization data support these findings, indicating that new materials were produced, though not hierarchically structured. The catalytic results for the materials were as follows: The synthesized chromium silicate impregnated with copper (10 wt%) showed promising catalytic performance for the conversion of furfural into furfuryl alcohol, achieving 100% conversion and 86% selectivity. This material also demonstrated potential for reuse, maintaining its efficiency after three reuse cycles. The synthesized molybdenum silicate, when tested as a catalyst for the conversion of fructose into 5-hydroxymethylfurfural (HMF), was able to convert 37% of the fructose with 88% selectivity for the desired product. After impregnation with iron (10 wt%), this material also showed promising activity for the conversion of HMF into levulinic acid, achieving 29% conversion and 22% selectivity. The produced nickel silicate also showed promising catalytic results, especially for the conversion of furfuryl alcohol into tetrahydrofurfuryl alcohol, with 100% conversion and 47% selectivity. However, this material lost 50% of its catalytic efficiency after three reuse cycles in this system. The tin silicate impregnated with copper (10 wt%) showed a promising result in the conversion of 2-hydroxytetrahydropyran into delta-valerolactone, with 15% conversion and 46% selectivity. Finally, the vanadium silicate produced and impregnated with iron (10 wt%) also showed a relevant result for the conversion of HMF into levulinic acid, with 18% conversion and 51% selectivity. The catalytic data indicate that the new materials produced during the execution of this work are promising heterogeneous catalysts for the studied systems.
Development of hierarchically structured heterogeneous catalysts with mixed crystallographic structure for the potential production of high value-added molecules derived from biomass
Keywords: Ácido levulínico; Álcool furfurílico; Biomassa; Catálise heterogênea; Delta-Valerolactona; Biomass; Delta-valerolactone; Furfuryl Alcohol; Heterogeneous catalysts; Levulinic acid