L'EU-1 et la MCM-22 sont deux zéolithes à taille de pores intermédiaire, utilisées respectivement pour l'isomérisation de la coupe C8 aromatique et l'alkylation du benzène par des oléfines légères. Leurs propriétés catalytiques originales sont dues à une contribution très importante des sites acides localisés sur leur surface externe. Au cours de ce travail, différentes approches ont été envisagées pour augmenter la quantité ou la proportion de ces sites aux dépends des sites internes. Tout d'abord, une série de zéolithes H-EU-1 partiellement échangées par du sodium a été préparée et caractérisée par voie physicochimique et par des réactions modèles. Comme attendu, l'échange s'accompagne d'une diminution de la concentration en sites acides de Brönsted. Toutefois, une augmentation importante de la quantité de sites acides très forts a été observée pour des taux d'échange de 26 à 35 % et corrélée à l'augmentation de l'activité en craquage du méthylcyclohexane. Par ailleurs, les conversions du m-xylène et du 1,3,5-triméthylbenzène diminuent rapidement pour de faibles taux d'échange, ce qui pourrait s'expliquer par un échange préférentiel des sites acides externes, également mis en évidence dans le cas de zéolithes MCM-22. Enfin, une nouvelle zéolithe de la famille MWW a été synthétisée et caractérisée. Cette zéolithe possède une acidité totale similaire à celle de la MCM-22, mais une proportion de sites acides externes beaucoup plus importante, conduisant à une activité beaucoup plus grande en transformation du m-xylène et du 1,3,5-triméthylbenzène. Cette nouvelle zéolithe pourrait donc constituer une alternative intéressante à la zéolithe MCM-22 en alkylation du benzène. / EU-1 and MCM-22 are two 10-ring zeolites used in petrochemical applications such as C8-aromatic cut isomerization and benzene alkylation with short olefins. In all these processes, the original catalytic behaviors of both zeolites are characterized by an important contribution of the acid sites located over the external surface of their crystals. In this work, different methods were investigated in order to increase the amount or the proportion of these acid sites at the expense of those located inside the pores. Firstly, a series of partially Na-exchanged H-EU-1 was prepared and fully characterized through physicochemical techniques and model reactions. As expected, the exchange led to a gradual decrease in the total Brönsted site concentration. Nevertheless, an increase of the concentration in very strong acid sites was obtained for exchange ratio between 26 and 35%, leading to a significant increase of the activity in methylcyclohexane transformation. On the other hand, m-xylene and 1,3,5-trimethylbenzene (135-TMB) conversions decreased rapidly at low exchange ratio, which was attributed to a preferential exchange of the external acid sites. This latter phenomenon was also observed over Na-exchanged H-MCM-22 zeolites. Secondly, a new zeolite belonging to the MWW family was synthesized and characterized. This zeolite was shown to possess the same acid site concentration than MCM-22 zeolite but with a much higher proportion of external sites. In consequence, it exhibited a very high catalytic activity in both m-xylene and 135-TMB transformations. This material could therefore be considered as an alternative to MCM-22 in the benzene alkylation process. / EU-1 e MCM-22 são dois zeólitos de poros intermédios utilizados, respetivamente, na isomerização do corte C8 aromático e na alquilação do benzeno com olefinas leves. As suas propriedades catalíticas originais devem-se a uma importante contribuição dos centros ácidos localizados nas superfície externa. Nesta tese, diferentes abordagens foram investigadas com o objetivo de aumentar a quantidade ou a proporção destes centros ácidos em detrimento dos centros internos. Primeiramente, uma série de zeólitos H-EU-1 parcialmente permutados com sódio foi preparada e caracterizada por via físico-química e por reações modelo. Como esperado, a permuta é acompanhada por uma diminuição da concentração em centros ácidos de Brönsted. Contudo, um importante aumento da quantidade de centros ácidos muito fortes foi obtido para taxas de permuta entre 26 e 35% e correlacionado com um aumento da atividade no cracking do metilciclohexano. Por outro lado, as conversões do m-xileno e do 1,3,5-trimetilbenzeno diminuem rapidamente para baixas taxas de permuta, o que pode ser explicado por uma permuta preferencial dos centros ácidos externos. Este último fenómeno foi igualmente observado no caso do zeólito H-MCM-22 permutado com sódio. Por fim, um novo zeólito pertencente à família MWW foi sintetizado e caracterizado. Este zeólito demonstrou possuir uma acidez total semelhante à do zeólito MCM-22, porém com uma muito maior proporção de centros ácidos externos, conduzindo a uma bastante superior atividade nas transformações do m-xileno e do 1,3,5-trimetilbenzeno. Este novozeólito poderá, portanto, representar uma alternativa interessante ao zeólito MCM-22 na alquilação do benzeno.

Documento confidencial. Não pode ser disponibilizado para consulta / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Neste trabalho, foram depositadas sobre lâminas de silício camadas de zeólitos cristalinos, formados por cadeias de átomos de zinco e bases conjugadas do imidazol (ZIF: Zeolitic Imidazolate Framework), com o objetivo de avaliar os processos de adsorção e absorção do CO2 e aplicar essas camadas como pré-concentradores para a detecção de CO2. Para a deposição das camadas ZIF através dos processos Spinning e casting, foi proposta uma solução química alternativa que emprega etanol como solvente em vez de metanol como reportado na literatura, a fim de proporcionar um processo menos tóxico ao ser humano e viabilizar o armazenamento de CO2 para aplicações envolvendo não apenas a sua detecção mas também a sua remoção do ambiente. As camadas ZIF foram depositadas utilizando uma solução obtida a partir da mistura de nitrato de zinco (4,3g) e 2-metilimidazol (9,7g) em etanol com diversas diluições com a finalidade de variar o pH na faixa de 7,2 a 8,2. Como resultado, verificou-se que as camadas obtidas apresentaram estrutura cristalina ZIF-8 ou ZIF-90 apenas na situação de pH próximo de 7. Além disso, as camadas depositadas através da técnica Spinning apresentaram baixa aderência sobre lâminas de silício e não foi possível depositar camadas com espessuras na faixa de micrômetros. Por outro lado, camadas repetitivas com aproximadamente 7, 5µm de espessura foram depositadas nas lâminas de silício através do processo casting em solução de pH = 7,2 (50ml). Após o recozimento dessas camadas na temperatura de 150 ºC por 48h em ambiente de nitrogênio ultrapuro, obtiveram-se distribuições repetitivas de nanocristais com tamanhos na faixa de 5 a 400nm e estrutura cristalina tipo ZIF-90. Das medidas de espectroscopia IR nas camadas de ZIF-90, observou-se que a banda localizada em 2337cm-1 intensifica com o aumento da pressão do CO2 e com o tempo em que a pressão é mantida. Além da banda em 2337cm-1, foi observada uma segunda banda em 2360cm-1, indicando dois diferentes tipos de resposta: (i) a banda em 2337cm-1 foi associada a uma porção substancial de moléculas de CO2 absorvidas dentro da camada junto aos contornos dos nanocristais ou dentro da sua estrutura cristalina, e (ii) a banda em 2360cm-1 foi atribuída à porção de moléculas de CO2 adsorvidas na superfície. Além disso, se o tempo de exposição da camada de ZIF-90 ao CO2, na pressão atmosférica for de pelomenos 2h, atinge-se sensibilidade de 100ppm ao CO2, considerando a leitura mínima de absorbância como sendo igual a 0,02 para 0,5 l/min de CO2 fluindo sobre a amostra. / In this work, layers of crystalline zeolites formed by chains of zinc atoms and conjugate bases of the imidazole (ZIF: zeolitic Imidazolate Framework) were deposited to evaluate the desorption and absorption of CO2 and apply these layers as pre-concentrators for CO2 detection. For the deposition of ZIF layers by means of spinning or casting, it was proposed an alternative chemical solution which employs ethanol as solvent instead of methanol, as reported in the literature, to provide a less toxic process to humans and allow one the CO2 storage applications involving not just detection but also its removal from the environment. The ZIF layers were deposited using a solution prepared from a mixture of zinc nitrate (4.3g) and 2-methylimidazole (9.7g) with several dilutions in ethanol to vary the pH in the range of 7.2 to 8.2. As a result, the crystalline structure of the layers was ZIF-8 or ZIF-90 only for pH next to 7. Furthermore, the layers deposited by spinning showed low adhesion to the silicon wafers and it was not possible to deposit layers for thickness in the micrometer range. Moreover, repetitive layers of approximately 7.5µm in thickness were deposited on the silicon wafers by casting for pH = 7.2 (50ml). After annealing these layers at a temperature of 150 ºC for 48h in ultra-pure nitrogen, it was obtained repetitive nanocrystals with size distributions in the range of 5 to 400 nm having a ZIF-90 crystal structure. From infrared (IR) measurements of the ZIF-90 layers, it was observed a band located at 2337cm-1 that increases with the increase of the CO2 pressure and with the exposure time to this pressure. In addition to the band at 2337cm-1, it was observed a second band at 2360cm-1 indicating two different responses: (i) the band at 2337cm-1 is related to a substantial portion of the CO2 molecules absorbed into the layer along the contours of the nanocrystals or within the crystal structure and (ii) the band at 2360cm-1 is related to the portion of CO2 molecules adsorbed on the surface. Also, if the ZIF-90 layer is exposed to CO2 at atmospheric pressure for at least 2h, a 100ppm sensitivity to CO2 is achieved considering the minimum absorbance as being 0.02 when 0.5 l/min of CO2 is flowing on the sample.

Neste trabalho, foram depositadas sobre lâminas de silício camadas de zeólitos cristalinos, formados por cadeias de átomos de zinco e bases conjugadas do imidazol (ZIF: Zeolitic Imidazolate Framework), com o objetivo de avaliar os processos de adsorção e absorção do CO2 e aplicar essas camadas como pré-concentradores para a detecção de CO2. Para a deposição das camadas ZIF através dos processos Spinning e casting, foi proposta uma solução química alternativa que emprega etanol como solvente em vez de metanol como reportado na literatura, a fim de proporcionar um processo menos tóxico ao ser humano e viabilizar o armazenamento de CO2 para aplicações envolvendo não apenas a sua detecção mas também a sua remoção do ambiente. As camadas ZIF foram depositadas utilizando uma solução obtida a partir da mistura de nitrato de zinco (4,3g) e 2-metilimidazol (9,7g) em etanol com diversas diluições com a finalidade de variar o pH na faixa de 7,2 a 8,2. Como resultado, verificou-se que as camadas obtidas apresentaram estrutura cristalina ZIF-8 ou ZIF-90 apenas na situação de pH próximo de 7. Além disso, as camadas depositadas através da técnica Spinning apresentaram baixa aderência sobre lâminas de silício e não foi possível depositar camadas com espessuras na faixa de micrômetros. Por outro lado, camadas repetitivas com aproximadamente 7, 5µm de espessura foram depositadas nas lâminas de silício através do processo casting em solução de pH = 7,2 (50ml). Após o recozimento dessas camadas na temperatura de 150 ºC por 48h em ambiente de nitrogênio ultrapuro, obtiveram-se distribuições repetitivas de nanocristais com tamanhos na faixa de 5 a 400nm e estrutura cristalina tipo ZIF-90. Das medidas de espectroscopia IR nas camadas de ZIF-90, observou-se que a banda localizada em 2337cm-1 intensifica com o aumento da pressão do CO2 e com o tempo em que a pressão é mantida. Além da banda em 2337cm-1, foi observada uma segunda banda em 2360cm-1, indicando dois diferentes tipos de resposta: (i) a banda em 2337cm-1 foi associada a uma porção substancial de moléculas de CO2 absorvidas dentro da camada junto aos contornos dos nanocristais ou dentro da sua estrutura cristalina, e (ii) a banda em 2360cm-1 foi atribuída à porção de moléculas de CO2 adsorvidas na superfície. Além disso, se o tempo de exposição da camada de ZIF-90 ao CO2, na pressão atmosférica for de pelomenos 2h, atinge-se sensibilidade de 100ppm ao CO2, considerando a leitura mínima de absorbância como sendo igual a 0,02 para 0,5 l/min de CO2 fluindo sobre a amostra. / In this work, layers of crystalline zeolites formed by chains of zinc atoms and conjugate bases of the imidazole (ZIF: zeolitic Imidazolate Framework) were deposited to evaluate the desorption and absorption of CO2 and apply these layers as pre-concentrators for CO2 detection. For the deposition of ZIF layers by means of spinning or casting, it was proposed an alternative chemical solution which employs ethanol as solvent instead of methanol, as reported in the literature, to provide a less toxic process to humans and allow one the CO2 storage applications involving not just detection but also its removal from the environment. The ZIF layers were deposited using a solution prepared from a mixture of zinc nitrate (4.3g) and 2-methylimidazole (9.7g) with several dilutions in ethanol to vary the pH in the range of 7.2 to 8.2. As a result, the crystalline structure of the layers was ZIF-8 or ZIF-90 only for pH next to 7. Furthermore, the layers deposited by spinning showed low adhesion to the silicon wafers and it was not possible to deposit layers for thickness in the micrometer range. Moreover, repetitive layers of approximately 7.5µm in thickness were deposited on the silicon wafers by casting for pH = 7.2 (50ml). After annealing these layers at a temperature of 150 ºC for 48h in ultra-pure nitrogen, it was obtained repetitive nanocrystals with size distributions in the range of 5 to 400 nm having a ZIF-90 crystal structure. From infrared (IR) measurements of the ZIF-90 layers, it was observed a band located at 2337cm-1 that increases with the increase of the CO2 pressure and with the exposure time to this pressure. In addition to the band at 2337cm-1, it was observed a second band at 2360cm-1 indicating two different responses: (i) the band at 2337cm-1 is related to a substantial portion of the CO2 molecules absorbed into the layer along the contours of the nanocrystals or within the crystal structure and (ii) the band at 2360cm-1 is related to the portion of CO2 molecules adsorbed on the surface. Also, if the ZIF-90 layer is exposed to CO2 at atmospheric pressure for at least 2h, a 100ppm sensitivity to CO2 is achieved considering the minimum absorbance as being 0.02 when 0.5 l/min of CO2 is flowing on the sample.