Multifunctional zeolite catalysts for valorization of biorenewable chemicals

• Název práce v češtině: Multifunkční zeolitové katalyzátory pro volarizaci bioobnovitelných chemikálií
• Název v anglickém jazyce: Multifunctional zeolite catalysts for valorization of biorenewable chemicals
• Klíčová slova: Heterogenní katalýza; zeolity; kyselé katalyzované reakce; kaskádové reakce
• Klíčová slova anglicky: Heterogeneous catalysis; zeolites; acid-catalyzed reactions; cascade reactions
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: doc. Maksym Opanasenko, CSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 01.03.2023
• Datum zadání: 02.03.2023
• Konzultanti: Ing. Jan Přech, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Zeolites and Molecular Sieves [MC260P90]
Fundamentals of Catalysis [MC260P137]
Catalysis in Practice [MC260P138]
Physical Chemistry for International Students I [MC260P132]
Physical Chemistry for International Students II [MC260P133]

Scientific Oral Presentations [MC280P84]
Scientific Writing [MC280P85]

Seznam odborné literatury

J. Čejka, R.E. Morris, P. Nachtigall 'Zeolites in Catalysis', RSC (2017)
P.W. Atkins, J. de Paula: Atkins' Physical Chemistry, 8th Edition, W. H. Freeman and Company, New York, (2006)
J. M. Thomas, W. J. Thomas 'Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis', 2nd Edition, Wiley-VCH (2015)

Předběžná náplň práce

Díky molekulově síťovému efektu, vysoké adsorpční kapacitě a nastavitelnému chemickému složení jsou zeolity účinnými katalyzátory pro řadu procesů. Stále však existuje nedostatek syntetických nástrojů pro regulací aktivních center v zeolitech, včetně těch, které obsahují několik typů aktivních míst.
Cílem tohoto projektu je racionální návrh multifunkčních zeolitových materiálů pro katalytickou transformaci bioobnovitelných chemikálií.
Práce bude zahrnovat
1) aplikaci různých syntetických technik (hydrotermální syntéza, post-syntéza, ADOR) umožňujících výrobu materiálů s požadovanou typem aktivních míst. Typ generovaných aktivních míst (Sn, Zr, Hf jednotlivě nebo v kombinaci s Al) se bude lišit v závislosti na aplikaci;
2) pokročilou charakterizace navržených materiálů. Konkrétně budou použity spektroskopické (NMR, IR, UV-Vis), difrakční (XRD, ED) a mikroskopické (HRTEM, STEM, SEM) techniky;
3) aplikace navržených materiálů pro jednostupňové a kaskádové reakce, které vyžadují přítomnost různých typů aktivních center. Soubor reakcí je zvolen z těch, které vedou ke zhodnocení bioobnovitelných sloučenin (sacharidů, terpenoidů), např. Meerwein–Ponndorf–Verley redukce citronellalu na citronellol, izomerizace glukózy na fruktózu, redukční přeměna sacharózy na platformové chemikálie atd. Kromě základní studie vztahů mezi vlastnosti a katalytickou funkce předpokládá tato část práce vývoj experimentálních a analytických protokolů pro provádění katalytických procesů v průtokovém reaktoru za průmyslově relevantních podmínek.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Due to molecular sieving effect, high adsorption capacity and adjustable chemical composition zeolites are efficient catalysts for a number of processes. However, there is still a lack of synthesis tools for generation of active centers of particular characteristics at particular location in the zeolite frameworks. In addition, there is a growing demand in the catalysts possessing several types of active sites that can be realized in zeolites.
The rational design of single- and multifunctional zeolitic materials for catalytic transformation of bio-renewable chemicals is an aim of the project. The work will include:
1) Application of various already established synthetic techniques (hydrothermal synthesis, post-synthesis, ADOR) allowing fabrication of materials with desired concentration of active sites. The nature of generated active sites, in either single- (Sn, Zr, Hf) or multifunctional (in combination with Al) materials, will be varied depending on the application.
2) Advanced characterization of designed materials necessary for confirmation of the heteroelement incorporation to zeolite framework, its specific localization and evaluation of both bulk properties of prepared catalysts and intrinsic properties of active sites fine tuned at the synthesis step. It will include evaluation using spectroscopic (NMR, IR, UV-Vis), diffraction (XRD, ED), and microscopic (HRTEM, STEM, SEM) techniques.
3) Application of designed materials for one-pot single- and multistep (cascade) reactions required the presence of various types of active centers (Brønsted and Lewis acid, metal). The pool of reaction is opted from those leading to valorization of bio-renewable compounds (carbohydrates, terpenoids), e.g. Meerwein–Ponndorf–Verley reduction of citronellal to citronellol, isomerization of glucose to fructose, reductive transformation of sucrose to platform chemicals etc. Besides the fundamental study on properties–catalytic function relationships, this part of the work supposes the development of experimental and analytical protocols to carry out the catalytic processes in flow reactor under the conditions relevant to large-scale application.