Síntesis directa de zeolitas monolámina (zeolitas 2D) y sus aplicaciones catalíticas

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral se centra en la obtención, vía síntesis directa, de materiales zeolíticos nanocristalinos con propiedades fisicoquímicas y catalíticas mejoradas respecto a los materiales de referencia. Para ello se ha hecho uso de tensioativos creados específicamente para cada una de las estructuras zeolíticas estudiadas, evitando el uso de procesos post-sintéticos que conllevan una pérdida de material cristalino. En la primera parte del trabajo se ha estudiado la obtención de la zeolita ITQ-2 deslaminada por síntesis directa (DS-ITQ-2) mediante el uso de varios tensioactivos, siendo el C16DC1 (N-Hexadecil-N'-metil-1,4-diazabiciclo[2.2.2]octano) con el que mejores resultados se han obtenido. Se ha estudiado la influencia de la longitud de la cadena alifática y la concentración del agente director de estructura orgánico (ADEO) en el gel de síntesis sobre la cinética del proceso de cristalización y las implicaciones sobre las características fisicoquímicas del material obtenido. Mediante el control de la concentración del tensioactivo en el gel de síntesis, ha sido posible dirigir el grado de deslaminación del material final. Las propiedades fisicoquímicas del material considerado como óptimo se han comparado con las de las zeolitas MCM-22, MCM-56 e ITQ-2, todas ellas con la misma estructura cristalina (MWW). Por último, la actividad catalítica de la zeolita DS-ITQ-2 se ha estudiado en dos reacciones, la alquilación de benceno con propileno para la obtención de cumeno y la reacción de 2,5-dimetilfurano con etileno para la obtención de p-xileno, obteniendo en ambos casos unos resultados de conversión y selectividad excelentes. La segunda parte de la tesis se ha centrado en la preparación de la zeolita ferrierita en su forma nanocristalina por síntesis directa mediante la utilización de tensioactivos. Se han estudiado tensioactivos con tres partes polares diferentes obtenidos a partir de las correspondientes aminas utilizadas como ADEOs. Además, también se ha estudiado el efecto de la longitud de la cadena del tensioactivo entre los 6 y los 16 átomos de carbono. La modificación de parámetros del gel de síntesis como por ejemplo la relación molar entre la piperidina o el tensioactivo y la sílice ha resultado ser determinante a la hora de conseguir una composición óptima para la obtención de la zeolita nanocristalina con las propiedades fisicoquímicas deseadas. La optimización de la temperatura de síntesis y la introducción de cristales de siembra en el gel de síntesis ha permitido mejorar las propiedades finales del material. La actividad catalítica de las nanoferrieritas se ha estudiado en dos reacciones diferentes, la oligomerización de 1-penteno y la isomerización de 1-buteno. Se ha mostrado la importancia de reducir el tamaño del cristal de la ferrierita, obteniéndose materiales con actividad y selectividad muy superior a los descritos en la bibliografía abierta y de patentes.

[CA] La present tesis doctoral es centra en l'obtenció, via síntesi directa, de materials zeolítics nanocristalins amb propietats fisicoquímiques i catalítiques millorades respecte als materiales de referència. Per a això s'ha fet ús de tensioatius creats específicament per a cadascuna de les estructures zeolítiques estudiades, evitant l'ús de processos post-sintètics que comporten una pèrdua de material cristal·lí. En la primera part del treball s'ha estudiat l'obtenció de la zeolita ITQ-2 deslaminada per síntesi directa (DS-ITQ-2) mitjançant l'ús de diversos tensioactius, essent el C16DC1 (N-Hexadecil-N'-metil-1,4-diazabiciclo[2.2.2]octà) amb el que millors resultats s'han obtés. S'ha estudiat la influència de la longitud de la cadena alifàtica i la concentració de l'agent director d'estructura orgànic (ADEO) en el gel de síntesi sobre la cinètica del procés de cristal·lització i les implicacions sobre les característiques fisicoquímiques del material obtés. Mitjançant el control de la concentració del tensioactiu en el gel de síntesi, ha sigut possible dirigir el grau de deslaminació del material final. Les propietats fisicoquímiques del material considerat com òptim s'han comparat amb les de les zeolites MCM-22, MCM-56 i ITQ-2, totes elles amb la mateixa estructura cristal·lina (MWW). Per íltim, l'activitat catalítica de la zeolita DS-ITQ-2 s'ha estudiat en dos reaccions, l'alquilació de benzé amb propilé per a l'obtenció de cumé i la reacció de 2,5-dimetilfurà amb etilé per a l'obtenció de p-xilé, obtenint en tots dos casos uns resultats de conversió i selectivitat excel·lents. La segona part de la tesi s'ha centrat en la preparació de la zeolita ferrierita a la seua forma nanocristal·lina per síntesi directa mitjançant la utilizació de tensioactius. S'han estudiat tensioactius amb tres parts polars diferents obtesos a partir de les corresponents amines utilitzades com a ADEOs. A més a més, també s'ha estudiat l'efecte de la longitud de la cadena del tensioactiu entre els 6 i els 16 àtoms de carboni. La modificació de paràmetres del gel de síntesi com per exemple la relació molar entre la piperidina o el tensioactiu i la sílice ha resultat ser determinant a l'hora de conseguir una composició òptima per a l'obtenció de la zeolita nanocristal·lina amb les propietats fisicoquímiques desitjades. L'optimització de la temperatura de síntesi i la introducció de cristalls de sembra en el gel de síntesi ha permés millorar les propietats finals del material. L'activitat catalítica de les nanoferrierites s'ha estudiat en dos reaccions diferents, l'oligomerizació de l'1-penté i la isomerització de l'1-buté. S'ha mostrat la import`ancia de reduir el tamany del cristall de la ferrierita, obtenint-se materials amb activitat i selectivitat molt superior als descrits en la bibliografia oberta i de patents.

[EN] This doctoral thesis focuses on obtaining, via direct synthesis, nanocrystalline zeolite materials with improved physicochemical and catalytic properties compared to reference materials. For this, surfactants created specifically for each of the zeolite structures studied have been used, avoiding the use of post-synthetic processes that lead to a loss of crystalline material. In the first part of the work, the obtaining of the delaminated ITQ-2 zeolite by direct synthesis (DS-ITQ-2) through the use of various surfactants, being C16DC1 (NHexadecyl-N'-methyl-1,4-diazabiciclo[2.2.2]octane) with which the best results have been obtained. The influence of the length of the aliphatic chain and the concentration of the organic structure directing agent (OSDA) in the synthesis gel on the kinetics of the crystallization process and the implications on the physicochemical characteristics of the obtained material have been studied. By controlling the concentration of the surfactant in the synthesis gel, it has been possible to direct the degree of delamination of the final material. The physicochemical properties of the material considered optimal have been compared with those of the zeolite MCM-22, MCM-56 and ITQ-2, all of them with the same crystalline structure (MWW). Finally, the catalytic activity of the zeolite DS-ITQ-2 has been studied in two reactions, the alkylation of benzene with propylene to obtain cumene and the reaction of 2,5-dimethylfuran with ethylene to obtain p-xylene, obtaining excellent conversion and selectivity results in both cases. The second part of the thesis has focused on the preparation of ferrierite zeolite in its nanocrystalline form by direct synthesis using surfactants. Surfactants with three different polar parts, obtained from the corresponding amines used as OSDAs, have been studied. In addition, the effect of the chain length of the surfactant between 6 and 16 carbon atoms has also been studied. Modifying the parameters of the synthesis gel, such as the molar ratio between piperidine or surfactant and silica, has turned out to be decisive when it comes to achieving an optimal composition for obtaining nanocrystalline zeolite with the desired physicochemical properties. The optimization of the synthesis temperature and the introduction of seed crystals in the synthesis gel have allowed to improve the final properties of the material. The catalytic activity of nanoferrierites has been studied in two different reactions, the oligomerization of 1-pentene and the isomerization of 1-butene. The importance of reducing the size of the ferrierite crystal has been shown, obtaining materials with activity and selectivity much higher than those described in the open and patent literature.