Acidity characterisation of zeolites for glycerol aromatisation with temperature-programmed desorption
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-01-23
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
100 + 15
Series
Abstract
Zeolites are among the most industrially significant solid acid catalysts. Effective and accessible methods for analysing the acidity of solid materials are critical for zeolite-related catalyst research, as the acidity characterisation elucidates the relationship between the properties and the catalytic activity of the material. The temperature-programmed desorption (TPD) of basic probe molecules is a widely reported method for characterising the acidity of solids. Automated TPD instruments requiring little operator input are available commercially, which makes the method particularly accessible for routine acidity characterisation. Typical probe molecules used in the analysis of zeolites with TPD include ammonia (NH3) and isopropylamine (IPAm). This work implemented a NH3-TPD and an IPAm-TPD method for determining the total acidity and the Brønsted acidity of zeolitic samples respectively. This work also compared NH3-TPD and IPAm-TPD as acidity characterisation methods for zeolites. The theory part of this work covered the principles of zeolite catalysts and TPD and examined previously reported NH3-TPD and IPAm-TPD methods. In the experimental part, a NH3-TPD and an IPAm-TPD method were developed, and sample materials intended for glycerol aromatisation were characterised with the developed NH3-TPD and IPAm-TPD methods. The NH3-TPD and IPAm-TPD methods developed in this work produced TPD profiles that corresponded well to descriptions of zeolite NH3-TPD and IPAm-TPD profiles available in literature. Out of the tested materials, only the Zn-modified zeolite sample produced an abnormal IPAm-TPD profile. The total acidity and Brønsted acidity results calculated from the TPD data were logical with respect to the theoretical acidity of the studied materials. As an exception, the IPAm-TPD analysis of the γ-Al2O3 reference sample yielded a higher value for Brønsted acidity than expected. This was suspected to be due to Brønsted acid sites associated with impurities. The relative standard deviation of both the total and Brønsted acidity results was 4% in the repeat tests.Zeoliitit lukeutuvat teollisesti merkittävimpiin kiinteän olomuodon happokatalyytteihin. Tehokkaat ja saavutettavat menetelmät kiinteän aineen happamuuden määritykseen ovat keskeisiä zeoliitteja koskevan katalyyttitutkimuksen kannalta, sillä happamuuden karakterisointi mahdollistaa zeoliittien ominaisuuksien ja katalyyttisen aktiivisuuden välisen yhteyden selvittämisen. Emäksisten molekyylien lämpötilaohjelmoitu desorptio (engl. temperature-programmed desorption, TPD) on laajasti raportoitu menetelmä kiinteän aineen happamuuden karakterisointiin. Automatisoituja TPD-laitteita on saatavilla kaupallisesti, mikä tekee TPD:sta erityisen saavutettavan karakterisointimenetelmän rutiininomaisia analyysejä varten. Ammoniakki (NH3) ja isopropyyliamiini (IPAm) ovat tyypillisiä zeoliittien TPD-analyyseissä käytettäviä emäksiä. Tässä työssä otettiin käyttöön NH3-TPD ja IPAm-TPD menetelmät zeoliittien kokonaishappamuuden ja Brønsted-happamuuden määrittämiseen. Lisäksi työssä vertailtiin NH3-TPD:a ja IPAm-TPD:a zeoliittien happamuuden karakterisoinnin menetelminä. Työn teoriaosassa käsiteltiin zeoliittikatalyysin ja TPD:n periaatteita ja tarkasteltiin aiemmin raportoituja NH3-TPD ja IPAm-TPD menetelmiä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin NH3-TPD ja IPAm-TPD menetelmät, ja niillä analysoitiin näytteitä zeolittimateriaaleista, joita tutkittiin glyserolin aromatisoinnin katalysointiin. Työssä kehitetyillä NH3-TPD ja IPAm-TPD menetelmillä mitatut TPD-profiilit vastasivat pääosin kirjallisuudesta löytyviä kuvauksia zeoliittien NH3- ja IPAm-TPD-profiileista. Ainoastaan sinkkimodifioitu zeoliittinäyte tuotti poikkeavan IPAm-TPD profiilin. TPD-datan perusteella lasketut tulokset näytemateriaalien kokonaishappamuudelle ja Brønsted-happamuudelle olivat loogisia materiaalien teoreettiseen happamuuteen nähden. γ-Al2O3-vertailunäytteen IPAm-TPD analyysi tuotti odotettua korkeamman arvon Brønsted-happamuudelle, minkä arvioitiin johtuvan epäpuhtauksien yhdeydessä esiintyvistä Brønsted-happopaikoista. Sekä kokoinais- että Brønsted-happamuustulosten suhteellinen keskihajonta oli toistokokeissa 4 %.Description
Supervisor
Puurunen, RiikkaThesis advisor
Karinen, ReettaVelasco, Jorge
Keywords
temperature-programmed desorption of ammonia, temperature-programmed desorption of isopropylamine, acidity characterisation, zeolites
