Syntéza a charakterizace hydrotalcit - zeolitových sloučenin

Abstract

Tato diplomová práce byla zaměřena na syntézu a charakterizaci nových hybridních materiálů složených z hydrotalcitů a zeolitů, určených pro využití v environmentální katalýze. Materiály byly připraveny metodou ko-precipitace a následně kalcinovány za účelem získání materiálů s požadovanou strukturou. Očekávalo se, že in-situ tepelný rozklad hydrotalcitů na povrchu zeolitu umožní vznik dobře dispergovaných oxidů mědi (CuO) na zeolitovém nosiči. Jak směsné oxidy kovů odvozené z hydrotalcitů, tak samotné zeolity vykazují slibné vlastnosti v oblasti environmentální katalýzy. Cílem syntézy těchto nových hybridních materiálů a jejich následné kalcinace je propojení velkého specifického povrchu zeolitových nosičů s velmi dobrou katalytickou účinností oxidů mědi. Jelikož podobné materiály dosud nejsou v literatuře popsány, vyžaduje postup syntézy pečlivou optimalizaci. V prvé řadě byla otestována stabilita zeolitových struktur v zásaditém prostředí za podmínek syntézy hydrotalcitu. Hlavním cílem bylo připravit hydrotalcit – zeolitové sloučeniny kombinující dva typy hydrotalcitů s rozdílným obsahem mědi (25 a 35 mol. %) a čtyři různé typy zeolitů (ZSM-5 s poměrem Si/Al 6, 11,5 a 25 a zeolit Y s poměrem Si/Al 5,2). Charakterizace připravených materiálů byly provedeny pomocí metody atomové absorpční spektrometrie (AAS), rentgenové práškové difrakce (RTG), termogravimetrické analýzy (TGA), nízkoteplotní sorpce dusíku, skenovací elektronové mikroskopie (SEM) a teplotně programované redukce vodíkem (TPR-H2). Sloučeniny byly charakterizovány před a po jejich kalcinaci (při 550 °C). Charakterizace referenčních materiálů (čistých zeolitů) a jejich srovnání s připravenými hybridními sloučeninami potvrdily strukturální a tepelnou stabilitu zeolitů jak za podmínek syntézy, tak při kalcinaci. Hydrotalcitová fáze vytvořená metodou spolusrážení v přítomnosti zeolitů ZSM-5 vykazovala typickou vrstvenou strukturu, což naznačuje, že zeolitový nosič neovlivňuje tvorbu hydrotalcitu. V případě zeolitu Y byla přítomnost hydrotalcitu potvrzena pouze nepřímo na základě analýzy TGA. Charakterizace po kalcinaci potvrdila tvorbu oxidů mědi, nicméně podrobnější popis jejich rozložení a dostupnosti vyžaduje další výzkum.

This thesis was focused on the synthesis and characterization of novel hybrid materials composed of hydrotalcites and zeolites, aimed at application in environmental catalysis. The materials were synthesized via the co-precipitation method and subsequently calcined to form catalysts of the desired structure. The in-situ thermal decomposition of hydrotalcites on the zeolite surface was expected to allow the formation of well-dispersed copper oxides (CuO) supported on the zeolite. Both, hydrotalcites derived mixed metal oxides and zeolites show promising performance in the field of environmental catalysis. Therefore, the synthesis of novel hybrid materials and their calcination aim to combine the high surface area of zeolitic supports with the catalytic efficiency of copper oxides. As similar materials are not reported in the literature, the synthesis procedure requires careful optimization. Initially, the stability of zeolite structures in an alkaline environment under hydrotalcite synthesis conditions was evaluated. The main goal was to prepare hydrotalcite–zeolite compounds by combining two types of hydrotalcites with different copper loadings (25 and 35 mol.%) and with four different types of zeolites (ZSM-5 with theoretical Si/Al ratios of 6, 11.5, and 25, and zeolite Y with theoretical Si/Al ratio of 5.2) Characterization of the prepared materials was performed using the following methods: atomic absorption spectrometry (AAS), X-ray powder diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), low-temperature sorption of dinitrogen, scanning electron microscopy (SEM), and hydrogen temperature-programmed reduction (H2-TPR). Samples were characterized before and after calcination at 550 °C. The characterization of reference materials (pure zeolites) and their comparison with the obtained hybrid compounds confirmed the structural and thermal stability of the zeolites under both synthesis and calcination conditions. The hydrotalcite phase formed via co-precipitation in the presence of ZSM-5 zeolites exhibited the typical layered structure, indicating that the zeolite support does not influence the formation of hydrotalcite. In the case of zeolite Y, confirmation of hydrotalcite formation required indirect evidence obtained through TGA analysis. Post-calcination characterization confirmed the formation of copper oxides; however, a more detailed description of their distribution and availability requires further investigation.