Faculteit BIW > Doctorandi > Archief doctoraatsaankondigingen > Doctorandus Roel LOCUS

Roel LOCUS

Enhanced Functionality in Acidic Amorphous Mesoporous Aluminosilicates

vrijdag 17 februari 2017 om 10.00 uur
Auditorium Kasteel, 01.07, Arenbergkasteel, Kasteelpark Arenberg 1, 3001 Heverlee

Wetenschappelijke context van het proefschrift

Wat zal in de toekomst de grondstof worden van de chemische industrie? Zullen hernieuwbare koolstofbronnen ooit de fossiele bronnen vervangen? Wat zal de oppervlaktetemperatuur van de aarde zijn als dit gebeurt? Dit zijn allemaal zeer belangrijke vragen die het wetenschappelijk onderzoek in de toekomst zullen beheersen. Wat de antwoorden ook zijn, heterogene katalysatoren zullen een cruciale rol spelen in de duurzame en selectieve omzetting van de grondstoffen naar nuttige producten. Heterogene katalysatoren zijn vaste materialen die chemische reacties, die in de natuur niet of slechts heel traag gebeuren, mogelijk maken en/of versnellen. Hierdoor kunnen vele nieuwe nuttige producten gemaakt worden uit bestaande grondstoffen. Zonder katalysatoren zouden deze reacties in de industrie vaak op heel hoge temperaturen uitgevoerd moeten worden, wat erg belastend voor het milieu kan zijn en wat vaak aanleiding geeft tot ongewenste bijproducten. Heterogene katalysatoren verlagen in veel gevallen de temperatuur die nodig is om bepaalde chemische reacties te doen, ze zijn makkelijk te recupereren en ze zijn herbruikbaar. Bovendien zorgt een goed ontworpen katalysator voor een verminderde vorming van ongewenste bijproducten. Dit alles maakt van heterogene katalysatoren onmisbare materialen in een groene chemische industrie.

Mesoporeuze amorfe silica-alumina zijn één van de meest eenvoudige heterogene katalysatoren en worden nu vaak gebruikt in de olie-industrie. Deze materialen zijn zeer eenvoudig industrieel te synthetiseren en aangezien de aardkorst voor bijna 2/3e uit silica en alumina bestaat, is er een bijna onuitputbare bron van de grondstoffen. De poriën in amorfe silica-alumina zijn van een ordegrootte waar de meeste grondstoffen en producten makkelijk in kunnen getransporteerd worden. De poriën kunnen gezien worden als een microscopisch tunnelnetwerk in het materiaal waarlangs de moleculen naar de actieve sites gebracht worden. Op deze actieve sites gebeurt de eigenlijke chemische reactie. Deze sites ontstaan door een specifieke chemische binding van aluminium atomen in een silica materiaal. Dit onderzoek toonde echter aan dat tot hiertoe slechts een zeer kleine fractie van de aluminium atomen effectief een actieve site veroorzaakt.

In dit werk werd daarom onderzoek gedaan naar een meer effectieve methode om actieve aluminium sites te synthetiseren in aluminosilicaten. Hiervoor werd een protocol ontwikkeld dat gebruikt maakt van alkalische oplossingen. Deze alkalische oplossingen werden nog niet eerder toegepast omdat de poriën in het materiaal geleidelijk afgebroken worden door het gebruik van een base. Dit werd hier echter vermeden door een optimalisatie van verschillende parameters tijdens de synthese. Geordende mesoporeuze materialen werden gebruikt als modelmateriaal in dit onderzoek omdat alle poriën in deze materialen even groot zijn en in dezelfde richting lopen. Dit zorgt ervoor dat ze makkelijker onderzocht kunnen worden. Verder werd de methode ook toegepast op (goedkopere) commerciële silica materialen die geen geordende poriën hebben. Enerzijds veroorzaakt het alkalische protocol een verhoging van de katalytische activiteit in de materialen door een herverdeling van het aluminium in materialen waar de inbouw inefficiënt was. Anderzijds kan het ook gebruikt worden om aluminium op een efficiënte manier te introduceren in puur-silica materialen en zo katalytische eigenschappen te genereren. De materialen gesynthetiseerd met het nieuwe protocol werden getest in een reeks katalytische reacties en behaalden telkens betere of op minstens even hoge resultaten als de beste beschikbare commerciële amorfe silica-alumina. In een laatste deel van het werk werd getracht om de mesoporeuze geordende materialen te maken in een apparaatje waar al de poriën in dezelfde richting liggen op een macroscopische schaal (centimeters). Aluminium was nog nooit ingebouwd in dit soort silicamaterialen. De inbouw van aluminium zorgde niet alleen voor de synthese van katalytische sites, maar verbeterde ook de orde tussen de poriën in deze membraanachtige materialen.

What will be the future feedstock of the chemical industry? Will renewable carbon sources one day replace fossil sources? What will be the surface temperature of the earth by the time that happens? These are all very important questions which will drive scientific research in the near future. Whatever the answers might be, heterogeneous catalysts will play a crucial role in the sustainable and selective conversion of these sources to useful products. Heterogeneous catalysts are solid materials which enable and/or accelerate chemical reactions which do not occur naturally or only very slowly. By using catalysts many new useful products can be synthesized from existing feedstocks. Without catalysts these reactions would generally have to be executed in industry at high temperatures, which can be bad for the environment and which often gives rise to the formation of unwanted side products. Heterogeneous catalysts in many cases lower the temperature necessary to execute a reaction, they are easily recovered and they are reusable. On top of this a well-designed catalyst can reduce the formation of unwanted side-products. All these things make heterogeneous catalysts indispensable materials for a green chemical industry.

Mesoporous amorphous silica-alumina are one of the simplest heterogeneous catalysts and are nowadays often used in the petrochemical industry. These materials are easily synthesized in industry and since nearly two thirds of the earth’s crust consists of silica and alumina their feedstocks are almost inexhaustible. The pores in amorphous silica-alumina have a size in which most chemical feedstocks and products can easily be transported. These pores can be seen as a microscopic tunnel network, along which the molecules are brought to the active sites. On these active sites the actual chemical reaction takes place. The active sites are formed by a specific bond of aluminum in a silica material. This research however indicated that until now only a very small fraction of the aluminum atoms effectively gives rise to an active site.

In this work therefore research was done on a more effective method to synthesize active aluminum sites in aluminosilicates. This way a protocol was designed which uses alkaline solutions. These alkaline solutions have not been applied yet in aluminosilicates because the pores in the material are gradually broken down by using bases. This was avoided here by an optimization of different synthesis parameters. Ordered mesoporous materials were used as model materials in this research because all the pores have the same size and run in the same direction. This makes the research of these materials very straight-forward. Furthermore the method was also applied on (cheaper) commercial silica materials without ordered pores. On one hand the alkaline protocol causes an increase in the catalytic activity in materials where aluminum was inefficiently incorporated. This was done by a redistribution of the aluminum. On the other hand it can also be used to introduce aluminum into pure-silica materials and thus give them catalytic properties. The materials synthesized with the new protocol were tested in different catalytic reactions and always showed better or at least equal activity as the best available commercial amorphous silica-alumina. In a final part of this work a device was developed in which the mesopores in amorphous aluminosilicates are aligned parallel on a macroscopic scale (centimeters). Aluminum had never been incorporated in this type of silica materials. The incorporation of aluminum not only gave rise to catalytic sites, but also improved the order between the pores in these membrane-like materials.

Promotor(en)

Prof. B. Sels, Departement Microbiële en moleculaire systemen (M²S).
Dr. D. Verboekend, Departement Microbiële en moleculaire systemen (M²S).

Leden van de examencommissie

Prof. J. Lammertyn, Departement Biosystemen (BIOSYST), voorzitter.
Prof. J. Martens, Departement Microbiële en moleculaire systemen (M²S).
Dr. M. Dusselier, Departement Microbiële en moleculaire systemen (M²S).
Prof. S. Bals, Universiteit Antwerpen, Campus Groenenborger.
Prof. M. Coppens, University College London.

Het proefschrift (1407) ligt ter inzage in de Campusbibliotheek Arenberg, de Croylaan 6, 3001 Heverlee.

Telefoon Promotor(en)

Prof. Bert Sels, tel.: +32 16 321463
Dr. Danny Verboekend, tel.: +32 16 37 77 40