Publication:
Conversion of biomass derived feedstocks to platform molecules using bifunctional mesostructured silica based catalysts
Conversion of biomass derived feedstocks to platform molecules using bifunctional mesostructured silica based catalysts
Authors
Reyes Luyanda, Damian
Embargoed Until
Advisor
Cardona Martínez, Nelson
College
College of Engineering
Department
Department of Chemical Engineering
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2018-05
Abstract
The combination of Brønsted acidity with metallic functionality in a mesoporous
catalyst offers a potential pathway for the conversion of cellulose into sugar
alcohols that may be used as a sustainable source of renewable biorefinery
feedstock. Supported Ru catalysts were prepared by evaporative deposition on
various ordered mesoporous silicas (SBA-15) with different functionalities and
characterized using multiple experimental techniques. We studied the effects of
functional group loading, reaction time and temperature on the activity and
products yield of the bifunctional catalysts by monitoring the cellulose conversion
and the production of sugars and sugar alcohols in a high-pressure batch
reactor. The activity of mesoporous silica catalysts increases with an increase in
acid loading and the addition of Ru allows control of the selectivity towards sugar
alcohols. Ruthenium supported on arenesulfonic acid functionalized mesoporous
silica (Ru/SBA-15S) displays the best catalytic performance. Ru/SBA-15S is
more hydrothermally stable than SBA-15 but loses a significant fraction of its
surface area, crystallinity, acidity, and activity after prolonged exposure to water
at 483 K. We further investigated whether SBA-15 can be more stable by grafting
Niobia by sol-gel. Our studies showed that grafting SBA-15 using sol-gel makes
SBA-15 more stable by recovering SBA-15 surface to avoid SiO2 hydrolysis at
elevated temperature and pressure. At the same time, the tendency of
amorphous commercial niobium oxide to crystallize in hot water was reduced.
Catalytic performance was verified by the bifunctional catalyzed hydrogenation of
GVL into Valeric acid using a PFR reactor system.
La combinación de acidez de Brønsted con una funcionalidad metálica en un catalizador mesoporoso ofrece una vía potencial para la conversión de celulosa a polioles que pueden utilizarse como fuente sostenible de materia prima de una biorefinería renovable. Se prepararon catalizadores de Ru sobre sílice mesoporosa ordenada (SBA-15) con diferente funcionalidad y se caracterizaron usando múltiples técnicas experimentales. Estudiamos los efectos de la cantidad del grupo funcional, el tiempo de reacción y la temperatura sobre la actividad y el rendimiento de los productos utilizando catalizadores bifuncionales monitoreando la conversión de celulosa y la producción de azúcares y polioles en un reactor por tanda de alta presión. La actividad de los catalizadores a base de sílice aumenta con un aumento de la acidez, y el Ru permite el control de la selectividad hacia los polioles. El rutenio en la sílice mesoporosa funcionalizada con ácido arenosulfónico (Ru/SBA-15S) muestra el mejor rendimiento catalítico. Ru/SBA-15S es más estable hidrotérmicamente que SBA-15, pero pierde una fracción significativa de su área superficial, cristalinidad, acidez y actividad después de una exposición prolongada a agua a 483 K. Investigamos además si SBA-15 puede ser más estable al incorporar oxido de niobio por el método de sol-gel. Nuestros estudios mostraron que el recubrimiento de SBA-15 con oxido de niobio por sol-gel, causa que SBA-15 sea más estable al evitar la hidrólisis de SiO2 expuesto a alta temperatura y presión. Al mismo tiempo, se redujo la tendencia del oxido de niobio comercial amorfo a cristalizar en agua caliente. El rendimiento catalítico se verificó mediante la hidrogenación bifuncional catalizada de GVL ácido valérico usando un sistema de reactor PFR.
La combinación de acidez de Brønsted con una funcionalidad metálica en un catalizador mesoporoso ofrece una vía potencial para la conversión de celulosa a polioles que pueden utilizarse como fuente sostenible de materia prima de una biorefinería renovable. Se prepararon catalizadores de Ru sobre sílice mesoporosa ordenada (SBA-15) con diferente funcionalidad y se caracterizaron usando múltiples técnicas experimentales. Estudiamos los efectos de la cantidad del grupo funcional, el tiempo de reacción y la temperatura sobre la actividad y el rendimiento de los productos utilizando catalizadores bifuncionales monitoreando la conversión de celulosa y la producción de azúcares y polioles en un reactor por tanda de alta presión. La actividad de los catalizadores a base de sílice aumenta con un aumento de la acidez, y el Ru permite el control de la selectividad hacia los polioles. El rutenio en la sílice mesoporosa funcionalizada con ácido arenosulfónico (Ru/SBA-15S) muestra el mejor rendimiento catalítico. Ru/SBA-15S es más estable hidrotérmicamente que SBA-15, pero pierde una fracción significativa de su área superficial, cristalinidad, acidez y actividad después de una exposición prolongada a agua a 483 K. Investigamos además si SBA-15 puede ser más estable al incorporar oxido de niobio por el método de sol-gel. Nuestros estudios mostraron que el recubrimiento de SBA-15 con oxido de niobio por sol-gel, causa que SBA-15 sea más estable al evitar la hidrólisis de SiO2 expuesto a alta temperatura y presión. Al mismo tiempo, se redujo la tendencia del oxido de niobio comercial amorfo a cristalizar en agua caliente. El rendimiento catalítico se verificó mediante la hidrogenación bifuncional catalizada de GVL ácido valérico usando un sistema de reactor PFR.
Keywords
Biomass conversion - Silica-alumina catalysts,
Cellulose conversion - Sugar alcohols,
Sugar alcohols as renewable biorefinery feedstock
Cellulose conversion - Sugar alcohols,
Sugar alcohols as renewable biorefinery feedstock
Usage Rights
Persistent URL
Cite
Reyes Luyanda, D. (2018). Conversion of biomass derived feedstocks to platform molecules using bifunctional mesostructured silica based catalysts [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/1906