Hydrothermal synthesis of ZSM-5 is an often applied but incompletely understood procedure. In comparison to current research efforts that aim to produce complex micro-mesoporous catalysts for the conversion of biogenic and bulky hydrocarbons, this work focuses on the dependency between Si/Al ratio and zeolite morphology of microporous ZSM-5 to understand and to control the synthesis process. In two series of time dependent crystallization, kinetics were analyzed at Si/Al ratio 20 and 100 to optimize the crystallization time. Subsequently, zeolites with different Si/Al ratio were obtained and characterized. The results show a transition from a slow dissolutionrecrystallization process to a fast solid-state-transformation with increasing Si/Al ratio. This is followed by a switching morphology from clusters of small agglomerates to bigger spherical particles. Respective acid site density and zeolite morphology determine local residence time, hydride transfer behavior and finally selectivity towards aromatics and higher hydrocarbons during methanol conversion. This background should provide control of even more complex syntheses of porous catalysts.

Tesis por compendio / [ES] El Proyecto de investigación aquí descrito se estructura en dos partes. La primera parte se centra en la investigación fundamental con el objetivo de crear un protocolo para la síntesis de zeolitas. La segunda parte se refiere al diseño, síntesis y caracterización de nuevas zeolitas, particularmente utiles para aplicaciones DeNOx,, pero también podría ser útil para aplicaciones MTO. La investigación fundamental sugiere un Nuevo modelo de preparación de zeolitas utilizando otras zeolitas como simiente. Este proceso se llama transformación zeolita-zeolita o también conversión interzeolita. El alto rendimiento obtenido, la rápida cristalización y la mejor utilización y rendimiento de los materiales de partida se han tenido en cuenta para mejorar el proceso en base a un proyecto de doctorado financiado por una empresa. Este método se ha ilustrado utilizando varias zeolitas como semilla, entre otras FAU y CHA, para la preparación de las dos zeolitas objetivo: AEI y AFX. En la segunda parte, la investigación se centra en el diseño de nuevas zeolitas de poro medio. Se han seleccionado tres zeolitas hipotéticas de una base de datos de 933611 estructuras. Esta selección se ha realizado utilizando descriptores específicamente diseñados en base a la aplicabilidad de estas zeolitas en procesos DeNOx zeolitas. A continuación se han buscado los agentes directores de estructura (ADE) más apropiados, con la ayuda de métodos computacionales, algunos de los cuales se han sintetizado posteriormente. El uso de dichos ADE en el gel de síntesis ha permitido la obtención de una zeolita cuya topología (ERI) ha sido identificada mediante análisis por PXRD, y cuya morfología y tamaño de cristal (particularmente pequeño) la hacen muy adecuada para su uso como catalizador en algunos procesos. El trabajo de síntesis también reveló la aparición de una nueva zeolita de alta densidad, llamada 'paracelsio-K'. Este nuevo material se ha obtenido al explorar el espacio de fases que cristalizan al utilizar 1-methyl-DABCO como ADE. La síntesis de esta zeolita tiene un especial interés porque el ADE no se incorpora en los canales de la zeolita, pero más bien influyendo en la nucleación y cristalización. La caracterización reveló que la composición del material es próxima al mineral microcline, estructuralmente cercano al paracelsio, ambos feldespatos. A diferencia de los feldespatos el paracelsio-K contiene moléculas de agua en su interior (1 molécula por cavidad) y puede describirse como el material más simple de la familia de las zeolitas que contiene cadenas del tipo 'doble-cigüeñal'. Utilizando los elementos topológicos correspondientes a esta estructura es posible generar estructuras zeolíticas ya conocidas, como GIS, APC, MER, PHI, SIV y algunas otras zeolitas hipotéticas. / [CA] El Projecte d'investigació aquí descrit s'estructura en dos parts. La primera part se centra en la investigació fonamental amb l'objectiu de crear un protocol per a la síntesis de zeolites. La segona part es refereix al disseny, síntesis i caracterització de noves zeolites, particularment útils per a aplicacions DeNOx , però també podria ser útil per a aplicacions MTO. La investigació fonamental suggereix un nou model de preparació de zeolites utilitzant altres zeolites com a llavor. Aquest procés s'anomena transformació zeolita-zeolita o també conversió interzeolita. L'alt rendiment obtingut, la ràpida cristal·lització i la millor utilització i rendiment dels materials de partida s'han tingut en compte per millorar el procés en base a un projecte de doctorat finançat per una empresa. Aquest mètode s'ha il·lustrat utilitzant diverses zeolites com a llavor, entre altres FAU i CHA, per a la preparació de les dues zeolites objectiu: AEI i AFX. A la segona part, la investigació se centra en el disseny de noves zeolites de porus mitjà. S'han seleccionat tres zeolites hipotètiques d'una base de dades de 933.611 estructures. Aquesta selecció s'ha realitzat utilitzant descriptors específicament dissenyats sobre la base de l'aplicabilitat d'aquestes zeolites en processos DeNOx zeolites. A continuació s'han buscat els agents directors d'estructura (ADE) més apropiats, amb l'ajuda de mètodes computacionals, alguns dels quals s'han sintetitzat posteriorment. L'ús d'aquests ADE al gel de síntesi ha permès l'obtenció d'una zeolita la topologia (ERI) ha estat identificada mitjançant anàlisi per PXRD, i la morfologia i mida de vidre (particularment petit) la fan molt adequada per al seu ús com a catalitzador en alguns processos. El treball de síntesi també va revelar l'aparició d'una nova zeolita d'alta densitat, anomenada 'paracelsio-K'. Aquest nou material s'ha obtingut a explorar l'espai de fases que cristal·litzen en utilitzar 1-methyl-DABCO com ADE. La síntesi d'aquesta zeolita té un especial interès perquè el ADE no s'incorpora en els canals de la zeolita, però més aviat influint en la nucleació i cristal·lització. La caracterització va revelar que la composició del material és propera al mineral microcline, estructuralment proper al paracelsio, tots dos feldspats. A diferència dels feldspats el paracelsio-K conté molècules d'aigua al seu interior (1 molècula per cavitat) i pot descriure com el material més simple de la família de les zeolites que conté cadenes del tipus 'doble-cigonyal'. Utilitzant els elements topològics corresponents a aquesta estructura és possible generar estructures zeolítiques ja conegudes, com GIS, APC, MER, PHI, SIV i algunes altres zeolites hipotètiques. / [EN] The research project described herein is structured in two parts. The first part is focused on the fundamental research with the aim of creating a toolbox for zeolite preparation. The second part deal with the design, synthesis and characterization of novel zeolites particular useful for DeNOx applications, but could be also useful for MTO applications. The fundamental research is addressing a novel approach of preparing zeolites by using other zeolites as raw materials. This process is known as zeolite-to-zeolite transformation or interzeolite conversion. The high yield obtained, fast crystallization time and the better utilization of the raw materials (e.g. parent zeolite, organic structure directing agent (OSDA)), are important benefits of interzeolite conversion technic, which answer the objectives formulated for an industrial PhD project. The method has been exemplified by using various raw materials as parent zeolites, such as FAU and CHA for the preparation of two target small pore zeolites AEI and AFX. In the second part the focus has been on the design of novel small pore zeolites. Three hypothetical frameworks have been selected by narrowing down a database containing 933611 structures. The selection has been performed by using the general descriptors for the state-of-the-art DeNOx zeolites (e.g. CHA). This was followed by finding suitable OSDAs for the selected frameworks, by using computational methods. The usage of the theoretically predicted OSDAs in synthesis gels made possible the synthesis of a novel high-silica zeolite. PXRD analysis, revealed that the zeolite has the ERI framework topology. The obtained material has a distinct particle morphology and smaller crystallites, which are key parameters for various catalytic processes. The synthesis work revealed also a novel dense zeolite, named K-paracelsian. The new material has been obtained while exploring the phase space using 1-methyl-DABCO as OSDA. The synthesis of this zeolite is especially interesting in the sense that the OSDA is not being incorporated into the zeolite channels, but rather influencing the nucleation and crystallization. Further characterization revealed a material compositionally closely related to the mineral microcline and structurally closely related to the mineral paracelsian, both of which are feldspars. In contrast to the feldspars, K-paracelsian contains intrazeolitic water corresponding to one molecule per cage and can be described as the simplest endmember of a family of dense double-crankshaft zeolite topologies. By applying the identified building principle, a number of known zeolite frameworks (e.g. GIS, APC, MER, PHI, SIV) and hypothetical zeolite topologies can be constructed. / The authors thank Haldor Topsoe A/S and Innovation Fund Denmark for financial support under the Industrial PhD programme (Case no. 1355-0174B). We thank MINECO of Spain for funding (SEV-2016- 0683 and RTI2018-101033-B-100) and ASIC-UPV for the use of computational facilities. We also thank Prof. M. M. J. Treacy for assistance with the Database of Prospective Zeolite Structures. / Boruntea, C. (2020). Design, synthesis and characterization of small-pore zeolites for industrial environmental applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/141094 / Compendio

[ES] Las zeolitas son sólidos inorgánicos, microporosos y cristalinos compuestos por la unión de tetraedros TO4 (T = Si, Ge, B, Al, Ti...). Estos tetraedros están unidos unos con otros por sus vértices, formando sistemas de canales y cavidades de dimensiones moleculares. Las propiedades de las zeolitas varían en función de la composición química de su estructura y de la topología y tamaño de sus canales. Por ello, el rango de aplicación de las zeolitas en la industria es muy amplio, presentando un especial interés en procesos de catálisis, adsorción y separación. Existen zeolitas con estructuras interesantes para su aplicación como catalizadores en reacciones químicas de interés industrial, pero que, debido a la composición química de su estructura, presentan una baja estabilidad y/o una pequeña o nula cantidad de centros activos. Un ejemplo son las zeolitas ITQ-13 (ITH), ITQ-15 (UTL), ITQ-24 (IWR) e ITQ-34 (ITR). La presente tesis doctoral se ha centrado en la síntesis de dichas estructuras zeolíticas, realizando modificaciones en su composición química para su posterior aplicación como catalizadores. Mediante la optimización de los procesos de síntesis hidrotermal y el desarrollo de diferentes tratamientos post-síntesis, se ha aumentado considerablemente la estabilidad de la estructura zeolítica y la fortaleza ácida de las zeolitas ITQ-13, ITQ-15, ITQ-24 e ITQ-34. Además, en las zeolitas ITQ-15 e ITQ-24 ha sido posible la incorporación de titanio en sus estructuras. Todos los procesos desarrollados evitan problemas presentes en los procesos de síntesis descritos en bibliografía para estas zeolitas, como problemas de obturación de los sistemas de canales o problemas de reproducibilidad. Por otro lado, se ha estudiado la utilización de ADEs quirales para la síntesis de zeolitas con propiedades enantioselectivas, además de las descritas previamente, para su utilización en procesos de catálisis asimétrica. / [CA] Les zeolites són sòlids inorgànics, microporosos i cristal·lins compostos per la unió de tetraedres TO4 (T = Si, Ge, B, Al, Ti...). Aquests tetraedres estan units uns amb altres pels seus vèrtexs, formant sistemes de canals i cavitats de dimensions moleculars. Les propietats de les zeolites varien en funció de la composició química de la seua estructura i de la topologia i dimensions dels seus canals. Per això, el rang d'aplicació de les zeolites en la indústria és molt ampli, presentant un especial interès en processos de catàlisi, adsorció i separació. Hi ha zeolites amb estructures interessants per a la seua aplicació com a catalitzadors en reaccions químiques d'interès industrial, però que presenten una baixa estabilitat i/o una xicoteta o nul·la quantitat de centres actius a causa de la composició de la seua estructura. Un exemple són les zeolites ITQ-13 (ITH), ITQ-15 (UTL), ITQ-24 (IWR) i ITQ-34 (ITR). La present tesi doctoral, s'ha centrat en la síntesi de les dites estructures zeolítiques amb modificacions en la seua composició química per a un posterior us com catalitzadors. Per mitjà de l'optimització dels processos de síntesi hidrotermal i el desenvolupament de diferents tractaments post-síntesi, s'ha augmentat considerablement l'estabilitat de l'estructura zeolítica i la fortalesa àcida de les zeolites ITQ-13, ITQ-15, ITQ-24 i ITQ-34. A més, en les zeolites ITQ-15 i ITQ-24 ha sigut possible la incorporació de titani en les seues estructures. Tots els processos desenvolupats eviten problemes presents en els processos de síntesis descrits en bibliografia per a aquestes zeolites, como a problemes d'obturació dels sistemes de canals o problemes de reproductibilitat. D'altra banda, s'ha estudiat la utilització d'ADEs quirals per a la síntesi de zeolites amb propietats enantioselectives, a més de les descrites prèviament, per a la seua utilització en processos de catàlisi asimètrica. / [EN] Zeolites are inorganic, microporous and crystalline materials formed by linking together tetrahedrons TO4 (T = Si, Ge, B, Al, Ti...). These tetrahedrons are connected with each other by their vertexes forming channels systems and cavities of molecular dimensions. Zeolite properties vary depending on the chemical composition of its framework and the topology and size of its channels. Because of that, zeolites have a wide field of industrial applications, notably in catalytic, adsorption and separation processes. There are zeolites with interesting structures to its application as catalysts in chemical reactions of industrial relevance, but its chemical composition gives rise to a material with low stability and/or small or zero amount of acid centers. An example are the zeolites ITQ-13 (ITH), ITQ-15 (UTL), ITQ-24 (IWR) and ITQ-34 (ITR). Taking account the good possibilities of these zeolites as catalyst, this thesis is focused on their synthesis with chemical composition modifications. The zeolitic framework stability and the acidic strength in zeolites ITQ-13, ITQ-15, ITQ-24 and ITQ-34 have been significantly enhanced. That has been possible by the optimization of the hydrothermal synthesis processes and the development of different post-synthesis treatments. In addition, titanium has been incorporated to the framework structures of ITQ-15 and ITQ-24 zeolites. All the developed processes avoid the problems present in the synthesis processes described in the literature for these zeolites, such as the partial blockage of the channel system or reproducibility problems. Furthermore, chiral organic compounds are studied as SDA in the synthesis of zeolites with enantioselective properties, with the objective to their use in asymmetric catalysis processes. / Cumplido Comeche, MP. (2022). Síntesis de zeolitas como catalizadores para la optimización de procesos químicos de interés industrial [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181697

[ES] Las zeolitas han destacado por sus aplicaciones en procesos catalíticos y de adsorción/separación de gases de alto impacto industrial. Esto es debido a que presentan propiedades de tamiz molecular como consecuencia de sus estructuras microporosas y, además es posible ajustar sus propiedades catalíticas variando su composición química, presencia de defectos estructurales, tamaño promedio de cristal, etc. Hasta el momento se han reconocido 255 estructuras zeolíticas diferentes, pero la obtención de zeolitas con nuevas estructuras es un aspecto muy relevante dentro de la ciencia de materiales ya que permite ampliar el rango de aplicaciones de estos materiales. Por ello, el objetivo fundamental de esta tesis doctoral es la obtención de nuevos materiales zeolíticos, empleándose para ello, cationes orgánicos que actuarán como agentes directores de estructura (ADEs) en la cristalización de zeolitas. Así, se ha estudiado el empleo cationes derivados de biciclopirrolidina como ADEs sintetizados mediante reacciones orgánicas de cicloadición [3+2]. Estos ADEs han sido efectivos en la síntesis de zeolitas, obteniéndose diversos sólidos microporosos cuya preparación había sido descrita anteriormente con otros cationes orgánicos. Sin embargo, uno de los cationes empleados ha dado lugar a la cristalización de una nueva zeolita, denominada ITQ-69, que presenta un sistema tridireccional de canales rectos, de poro pequeño (8 x 8 x 8 R) y ausencia de cavidades. Este material ha sido efectivo en la separación selectiva de propileno de propano en su forma de germanosilicato. La síntesis de zeolitas quirales, es sin duda el objetivo más ambicioso propuesto. En esta tesis se ha explorado el empleo de derivados de azúcares como parte fundamental en la síntesis de ADEs. En concreto, se ha explorado la isomanida como unidad sintética quiral en la preparación de dicationes quirales. Cuando la isomanida se combina con la presencia de imidazolios (altamente selectivos hacía la estructura STW) se ha obtenido un material STW en forma de germanosilicato. Este sólido cristaliza formando cristales de tamaño suficientemente grande como para realizar estudios de difracción de Rayos X en monocristal, y determinar el exceso enantiomérico de distintas preparaciones. En todos los casos, se obtiene cristales S-STW homoquirales enantimórficamente puros, constituyendo el primer ejemplo de obtención selectiva quiral de una zeolita reportado hasta la fecha. En esta parte de la tesis, también se obtuvieron zeolitas con topología STW empleando ADEs no quirales. Algunos de estos sólidos, se evaluaron en la separación de hidrocarburos con diferentes grados de ramificación (zeolita STW puramente silícea) y en la reducción selectiva de NO con propano (zeolita Al-STW intercambiadas con Cu). Finalmente, se han estudiado diferentes cationes organofosforados como ADEs. La elevada estabilidad de estos cationes en el medio de síntesis, ha permitido la obtención de una nueva zeolita, ITQ-70, que presenta un elevado grado de defectos de conectividad y una muy baja densidad de red. La estructura de la zeolita ITQ-70 presenta un sistema de supercavidades con ventanas interconectadas de acceso a las mismas (20 x 20 x 18 R) y cristaliza con un grupo de simetría proquiral. / [CAT] Zeolites are well-known for their industrial applications. The presence of pores of molecular dimensions forming a structured channels system confers them the property of performing as a molecular sieve. This characteristic of zeolites, combined with the possibility of modifying their chemical composition, structural defects, average crystal size, etc., provides them with exceptional properties for catalytic and separation processes. Up to now, 255 different zeolitic structures have been compiled. However, obtaining zeolites with new structures remains an important challenge in materials science and broadening their applications. Therefore, the main objective of this doctoral thesis is the obtention of new zeolitic materials using organic cations as structure-directing agents (SDAs) in the crystallization process. Thus, the use of bicyclopyrrolidine-derived cations as ADEs, synthesized by organic cycloaddition reactions [3+2], has been studied. Several microporous solids whose preparation had been previously described using other organic cations have been obtained by utilizing these bicyclopyrrolidine-derived cations as ADEs. In addition, the crystallization of a new zeolite, ITQ-69, has been reached. This structure presents a tridirectional system of straight small pore size channels (8 x 8 x 8 R) and the absence of cavities. ITQ-69, in its germanosilicate form, has been proved to be significantly effective for the separation of propylene from propane. Obtaining chiral zeolite is undoubtedly one of the most ambitious objectives proposed in the field of zeolite synthesis. In this thesis, sugar derivatives have been specifically considered as starting molecules for the synthesis of chiral ADEs. Particularly, the synthesis of dicationic ADEs starting from isomannide as a chiral synthetic unit has been explored. When isomannide was combined with imidazole (highly selective towards the STW structure), a STW-structure material in the form of germanosilicate was obtained. This solid crystallizes forming sufficiently large crystals to perform single-crystal X-ray diffraction studies and determine the enantiomeric excess of different preparations. In all cases, enantiomorphically pure homochiral S-STW crystals are obtained, constituting the first reported example of chiral selective synthesis of a zeolite. Zeolites with STW structure were also obtained using non-chiral ADEs. The properties of these microporous solids were evaluated in the separation of hydrocarbons with different branching, in the form of purely siliceous STW, and in the selective reduction of NO with propane using Cu-exchanged Al-STW zeolites. Finally, different organophosphorus cations have been studied as ADEs. The high stability of these cations in the zeolites crystallization medium has allowed the isolation of a new zeolite, ITQ-70, which presents a high number of connectivity defects and a very low lattice density. The structure of the ITQ-70 zeolite possesses a super-cavity system with interconnected access windows (20 x 20 x 18) and crystallized with a prochiral symmetry group. / [EN] Les zeolites han destacat per les seues aplicacions en processos catalítics i processos d'adsorció/separació de gasos d'alt impacte industrial. Açò és degut al fet que presenten propietats de tamís molecular a conseqüència de les seues estructures microporoses i, a més és possible ajustar les seues propietats catalítiques variant la seua composició química, presència de defectes estructutals, grandària del cristall, etc. Fins al moment es reconeixen 255 estructures zeolítiques diferents, però l'obtenció de zeolites amb noves estructures és un aspecte molt rellevant dins de la ciència de materials, ja que permet ampliar el rang d'aplicacions d'aquests materials. Per tant, l'aspecte fonamental d'aquesta tesi doctoral és l'obtenció de nous materials zeolítics empleant cations orgànics que actuaran com a agents directors d'estructura (ADEs) en la cristal·lització de zeolites. Així, s'ha explorat l'us de cations derivats de biciclopirrolidina com ADEs sintetitzats mitjançant reaccions orgàniques de cicloadició [3+2]. Aquests ADEs han sigut efectius en la síntesis de zeolites, obtenint-se diversos sòlids microporosos, la preparació dels quals havia sigut descrita anteriorment amb altres cations orgànics. No obstant, un dels cations empleats ha donat lloc a la cristal·lització d'una nova zeolita, denominada ITQ-69, que presenta un sistema tridireccional de canals rectes, porus xicotets (8 x 8 x 8 R) i absència de cavitats. Aquest material ha sigut efectiu en la separació selectiva de propilé de propà en la seua forma de germanosilicat. Dins de la síntesi de zeolites, la síntesi de zeolites quirals, és sens dubte un dels objectius més ambiciosos proposats. En aquesta tesi s'ha explorat l'ús de derivats de sucres com a part fonamental en la síntesi de ADEs. En concret, s'ha explorat la isomanida com a unitat sintètica quiral en la preparació de dications quirals. Quan la isomanida es combina amb la presència de imidazolios (altament selectius feia l'estructura STW) s'ha obtingut un material STW en forma de germanosilicato. Aquest sòlid cristal·litza formant cristalls de grandària prou gran com per a realitzar estudis de difracció de Raigs X en monocristall, i determinar l'excés enantioméric de diferents preparacions. En tots els casos, s'obté cristalls S-STW homoquirals enantimórficament purs, constituint el primer exemple d'obtenció selectiva quiral d'una zeolita reportat fins a la data. En aquesta part de la tesi, també es van obtindre zeolites amb topologia STW empleant ADEs no quirals. Alguns dels materials STW es van avaluar les propietats d'aquests sòlids microporosos en la separació d'hidrocarburs amb diferents graus de ramificació amb STW purament silici i en la reducció selectiva de NO amb propà empleant zeolites Al-STW intercanviades amb Cu. Finalment, s'han estudiat diferents cations organofosforats com ADEs. L'elevada estabilitat d'aquests cations en el mitjà de cristal·lització de zeolites ha permés aïllar una nova zeolita, ITQ-70, que presenta un elevat grau de defectes de connectivitat i una molt baixa densitat de xarxa. L'estructura de la zeolita ITQ-70 té un sistema compost per supercavitats amb finestres interconnectades d'accés a les mateixes (20 x 20 x 18) i cristal·litza amb un grup de simetria proquiral. / Al Ministerio de Economía, Industria y Competitividad por concederme la Beca BES-2016-078684 que ha permitido la realización de esta tesis doctoral, junto a la ayuda económica proporcionada en los proyectos MAT2015-71842 y RTI2018-101784-B-100. A la Generalitat Valenciana su financiación a través del proyecto PROMETEO/2021/07 y por último a la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y al Instituto de Tecnología Química (ITQ) por proporcionar las instalaciones y equipamiento necesarios para llevar a cabo el trabajo de investigación. / Sala Gascón, A. (2022). Síntesis y caracterización avanzada de materiales zeolíticos mediante el empleo de nuevos agentes orgánicos directores de estructura [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186873