Transformation of biogenic carbohydrates into levulinic acid and further hydrogenation using supported nanoparticle catalysts synthesized by chemical fluid deposition

Yan, Kai; Leitner, Walter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-38705

Transformation of biogenic carbohydrates into levulinic acid and further hydrogenation using supported nanoparticle catalysts synthesized by chemical fluid deposition = Transformation von biogenen Kohlenhydraten in Lävulinsäure und weitere Hydrierung mit Unterstützung von Nanopartikel-Katalysatoren durch Chemical-Fluid-Deposition

Yan, Kai

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kai Yan

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang157 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Leitner, Walter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38705
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82672/files/3870.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zucker (Genormte SW) ; Nanopartikel (Genormte SW) ; Katalysator (Genormte SW) ; Lävulinsäure (Genormte SW) ; Hydrierung (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; Nanopartikeln (frei) ; Katalysatoren (frei) ; sugar (frei) ; nanoparticle (frei) ; catalyst (frei) ; levulinic acid (frei) ; hydrogenation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Das primäre Ziel dieser Arbeit war, leistungsfähige Katalysatoren und die Schlüsselfaktoren für die Umwandlung von D-Fructose und D-Glucose in LA sowie die Hydrierung von LA zu GVL zu synthetisieren und zu identifizieren. Eine Übersicht über diese These wurde zunächst erarbeitet und daraufhin ein allgemeiner Überblick über die Nutzung von Biomasse für Chemikalien und potenzielle Produktion von Biokraftstoffen zur Verfügung gestellt. Wie gezeigt, Lävulinsäure, die aus Biomasse gewonne Monomere Säure (LA) und gamma-Valerolacton (GVL) gehören zu den vielversprechendsten Plattform Chemikalien für die nachhaltige Produktion von Chemikalien und Biokraftstoffen, welche in hohen Ausbeuten unter milden Bedingungen hergestellt werden können. Unsere Experimente zeigen, dass sich die untersuchten Katalysatoren stabil verhalten und effizient in mehreren Zyklen wiederverwendet werden. Hierzu ist eine zwischengeschaltete Kalzinierung und Reduktion notwendig, welche die deaktivierte Kohlenstoff-basierte Schichten von der Oberfläche entfernt. In der Regel sind diese Recyclingfähigkeit, in Kombination mit der einfachen Handhabung, und der Produkt-Trennung hochattraktive Features im Vergleich zu herkömmlichen mineralischen Säure-Katalysator-Systemen. Der beste Bimetall-Katalysator zeigte eine bessere Leistung, als der beste Monometallische. Während ein höheres Pt/Pd-Verhältnis vorteilhaft ist für die Dehydratisierung von D-Fructose zu LA, sind Pd dominierte Kompositionen die bevorzugten für die Hydrierung von LA zu GVL. Über den Metall-Kompositionen der Bimetall-Katalysatoren hinaus, sind andere Katalysatorsynthesen-Parameter wie Tränkzeit und Metall-Ladungen individuell entscheidend für die Erzielung hohen Umsatzes, der Selektivität und der TON. So unterscheiden sich die Synthese-Protokolle für die besten Katalysatoren für beide Test-Reaktionen deutlich voneinander.

The primary objective of this thesis was to synthesize and identify powerful metal catalysts and key factors for the conversion of D-fructose and D-glucose to LA as well as the hydrogenation of LA to GVL. A general overview on the use of biomass for chemicals and potential biofuel production is provided. The catalytic transformation systems developed for the conversion of biomass-derived monomers to LA and GVL are reviewed. Meanwhile, an intensive overview of the preparation of supported nano-particles catalysts using chemical fluid deposition is provided. The synthesis of the supported nano-metal catalysts in a bottom up procedure using chemical fluid deposition as a universal and highly controllable production method is discussed. Here, SBA-15 is used as a mesoporous support/co-catalyst. Homo- and bimetallic Pd and/or Pt are deposited into SBA-15 by hydrogenolysis of the metal precursors (cyclopentadienyl) allyl-palladium (II) [CpPd(eta3-C3H5)] and (1, 5-cyclooctadiene)-dimethylplatinum (II) [(1,5-cod)Pt(CH3)2] with different variables and constants. The experimental catalyst synthesis plan and analysis is chosen in accordance to design of experiments (DOE, used software: Design Expert 7.1) applying response surface plans with typically seven factors. Based on a uniform design, an initially explored plan with 35 different protocols for palladium catalysts and experimental plan with 32 different protocols for nanoparticles homo- and bimetallic Pd and/or Pt are processed to investigate the influence of a variety of reaction parameters. Later, we employ the conversion of D-fructose to LA in ethanol solvent as a standard reaction to screen a wide variety of the supported homo- and bimetallic nanoparticles prepared by chemical fluid deposition method. Besides, the resulted catalysts were also used for transformation of D-glucose in combination with a salt additive. It is shown that the choice of the used solvent and metal are crucial for the product distributions. Furthermore, the stability of the resulted catalysts is also described in this chapter. The performance of the wide variety of nanoparticles catalysts was also investigated in the hydrogenation of levulinic acid to gamma-valerolactone and later to pentanoic acid which is described. Here, the maximization of GVL yields and TON optimization have been in the central focus. Furthermore, the stability and recyclability of the resulted catalysts are characterized.

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