Mechanochemical synthesis of Lewis acidic-beta zeolite catalysts to convert fructose into alpha-hydroxy-acids using gamma-valerolactone and water as solvent

Abstract

The zeolite synthesis method has a fundamental role on the catalytic performance because it can influence the distribution of active sites in the zeolite structure and sometimes favor the formation of extra framework metal oxide species that decrease the catalyst activity and its selectivity shifts to the formation of unwanted products. We studied the feasibility of the solid-state post-synthesis method by high-impact grinding, the effect of the precursor, and the effect of washing the material on the on the product distribution. In addition, we studied the effect of the cation (Sn4+ and Zr4+) on the performance of the catalysts. Finally, we studied the effect of the post synthesis method (grafting versus mechanochemical) on the catalytic performance of Lewis acid Sn-Beta zeolite catalysts. We did a kinetic study coupled to characterization in an attempt to establish the relationship between structure and catalytic performance of the samples. The results showed that high impact grinding is a viable method for the synthesis of Sn- and Zr-Beta catalysts with Lewis acidity. The use of organometallic precursors over halide precursors and washing with isopropanol when using chloride precursors improves the product distribution. Both synthesis methods give samples without destroying the zeolite structure and show catalytic activity to produce alpha hydroxy acids using GVL and water as solvent. However, grafting gives more active zeolites than our solid-state synthesis method. This can be attributed to the strong effect of high-impact milling on the chemical and physical properties of the samples

El método de síntesis de zeolitas tiene un papel fundamental en el desempeño catalítico porque puede influir en la distribución de sitios activos en la estructura de la zeolita y, en ocasiones, favorecer la formación de especies de óxidos metálicos extraestructurales que disminuyen la actividad del catalizador y su selectividad se desplaza hacia la formación de productos no deseados. Estudiamos la viabilidad del método de postsíntesis de estado sólido por molienda de alto impacto, el efecto del precursor y el efecto del lavado del material en la distribución de productos. Además, estudiamos el efecto del catión (Sn4+ y Zr4+) sobre el desempeño de los catalizadores. Finalmente, estudiamos el efecto del método de síntesis posterior (injerto versus mecanoquímico) en el rendimiento catalítico de los catalizadores de zeolita Sn-Beta ácida de Lewis. Hicimos un estudio cinético acoplado a la caracterización en un intento de establecer la relación entre la estructura y el rendimiento catalítico de las muestras. Los resultados mostraron que la molienda de alto impacto es un método viable para la síntesis de catalizadores Sn- y Zr-Beta con acidez de Lewis. El uso de precursores organometálicos frente a los halogenuros y el lavado con isopropanol cuando se utilizan precursores clorados mejora la distribución de los productos. Ambos métodos de síntesis dan muestras sin destruir la estructura de la zeolita y muestran actividad catalítica para producir alfa hidroxiácidos usando GVL y agua como solvente. Sin embargo, el injerto produce zeolitas más activas que nuestro método de síntesis en estado sólido. Esto se puede atribuir al fuerte efecto de la molienda de alto impacto en las propiedades químicas y físicas de las muestras.