Amoxidace propanu na cíleně strukturovaných materiálech

Ing. Eva Priecel Baďurová

Doctoral thesis

Ammoxidation of propane over designed structured materials

Abstract:

Předložená doktorská práce se zabývá studiem přímé amoxidace propanu na strukturovaných silikátech železa. Přímá amoxidace propanu je velmi zajímavá a náročná reakce. Tato alternativa k neekologickému a neekonomickému procesu amoxidace propenu byla studována déle než 40 let. V tomto období byly studovány různé katalytické systémy (směsné oxidy, nanesené katalytické systémy, divanadyl(IV)-pyrofosfát, nitridované materiály a zeolity obohacené různými kovy). Byly studovány silikáty obohacené o železo a specifický efekt množství železa v porézních strukturovaných materiálech. Fe-silikalit, jako zástupce skupiny mikroporézních materiálů, se ukázal vhodným katalyzátorem pro přímou amoxidaci propanu. Tento katalyzátor byl úspěšně aktivován reduktivní nitridací, předúpravou málo užívanou v literatuře. Mikroporézní zeolity mají určité omezení přenosu hmoty, proto byl úspěšně syntetizován hexagonální mesoporézní silika na bázi železa, jako zástupce mesoporézních materiálů. Tento katalyzátor dosáhl v porovnaní s Fe-silikalitem srovnatelné aktivity a selektivity bez jakékoliv předúpravy. Katalytické testy ukázaly, že povaha a okolí aktivních centre železa jsou důležitější než porézní systém katalyzátoru. Použití spektroskopických charakterizačních technik nám dovolilo zkoumat strukturu katalyzátorů, které prokázaly širokou různorodost typů částic železa. Fe-silikality jasně poukázaly na fakt, že vytažení atomů železa z mřížky zeolitu je potřebné k dosažení vysoké katalytické aktivity v přímé amoxidaci propanu. Přesná povaha aktivních centre nám stále není známa, jelikož jejich určení je velmi náročným úkolem. Závěrem je možno říci, že mikro- a mesoporézní silikáty obsahující velmi nízké množství atomů železa, jsou schopny katalyzovat přímou amoxidaci propanu a dosáhnout výtěžku akrylonitrilu v rozsahu 7 - 11 mol\dindex{ACN} kgcat\hindex{-1} h\hindex{-1}.

Abstract:

Topic of this doctoral thesis is ammoxidation of propane over designed iron silicates. Direct ammoxidation of propane is very interesting and very challenging reaction. This alternative to ecologically and still not economically convenient process of ammoxidation of propylene has been studied already for more than 40 years. In this period the different classes of materials (mixed oxide catalysts, supported catalytic systems, vanadyl pyrophosphate, nitrided materials and zeolite doped with different kinds of metals) were proposed for this reaction. We have studied iron-doped silicates and specifically the effect of the iron loading in the porous structured materials. Fe-Silicalite, as a microporous one, shows its potential as a suitable catalyst for direct ammoxidation of propane. This catalyst was successfully activated by gas reduction-nitridation, a pretreatment scarcely used in the literature. Microporous zeolites have certain mass transport limitations. For this reason we successfully synthesized iron-based hexagonal mesoporous silica as a candidate for mesoporous catalyst. In comparison with Fe-Silicalite, hexagonal mesoporous silica-based catalyst reached comparable catalytic activity and selectivity without any special activation. Catalytic tests showed that the nature of the iron sites is more crucial than the porosity of the catalyst. Utilisation of the spectroscopic characterisation methods allowed us to probe the structure of the catalysts which displayed a wide heterogeneity of iron particles. Fe-Silicalites clearly showed that extraction of iron species from the framework is essential for reaching high catalytic activity in the propane ammoxidation. The nature of the active site is not yet directly known, its characterisation is very challenging task. In summary, micro- and mesoporous silicates with very low iron loadings are able to catalyse the direct ammoxidation of propane to acrylonitrile, with the yield of acrylonitrile in ratio of 7 - 11 mol\dindex{ACN} kgcat\hindex{-1} h\hindex{-1}.

Keywords

amoxidace, propan, akrylonitril, železo, silikáty, Fe-silikalit, Fe-HMS, mikroporézní a mesoporézní materiály, charakterizace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 8. 2016

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 15. 11. 2016

University of Pardubice

Faculty of Chemical Technology

Doctoral programme / field:
Physical Chemistry / Physical Chemistry