[ES] El actual enfoque hacia la desfosilización de la industria química acentúa la necesidad de desarrollar procesos químicos medioambientalmente más sostenibles. El diseño de sistemas catalíticos en tándem para llevar a cabo reacciones mecanísticamente desacopladas en un solo reactor, representa una estrategia prometedora para potencialmente reducir el tamaño de las instalaciones y alcanzar mayores eficiencias energéticas y económicas. El gas de síntesis y sus derivados directos C1 (metanol, DME) representan una atractiva fuente de carbono no derivada del petróleo para la producción de productos químicos. La propagación selectiva de cadena desde compuestos C1 hasta específicamente productos sigue siendo un desafío importante en el campo de la catálisis heterogénea. En esta tesis, se presenta cómo el diseño racional de un sistema catalítico en tándem, multifuncional y heterogéneo, proporciona una ruta novedosa y alternativa para la síntesis directa de productos C3 de interés a partir de compuestos C1. En este trabajo, se ha estudiado la integración en tándem de la reacción de carbonilación de compuestos metoxi (DME) con CO, con la posterior cetonización de los productos carboxílicos C2 intermedios correspondientes en un sistema catalítico multifuncional. La integración de los catalizadores Ag/MOR y Pd/ZrCeOx respectivamente, permite la síntesis directa de acetona a partir de mezclas de DME/gas de síntesis a 548 K y 20 bares. La incorporación de H-FER nanocristalina en un catalizador multifuncional metal/óxido/zeolita Pd/ZrCeOx:FER, como funcionalidad específica de hidrólisis del acetato de metilo, ha permitido la obtención de rendimientos a acetona hasta tres veces mayores en comparación con los obtenidos utilizando solamente el catalizador metal/óxido. La funcionalidad específica de hidrólisis se ha incorporado en base a los resultados de estudios cinéticos realizados para las etapas de reacción por separado, que revelan una limitación general de la velocidad de cetonización a partir del paso de hidrólisis ácida del intermedio acetato de metilo. A una distancia intercatalítica en el rango de micrómetros, se ha mantenido una conversión de DME estable (superior al 94%), junto con una selectividad de acetona del 65-70% (entre los productos orgánicos) durante al menos 10 días de operación continua. Además, la atmósfera de gas de síntesis a alta presión permite la integración de la hidrogenación de grupos carbonilo, abriendo la puerta para la producción de 2-propanol en un solo reactor. En particular, la incorporación del catalizador de hidrogenación Ag-Pt/¿-Al2O3 ha permitido alcanzar una selectividad de 2-propanol del 51% dentro de la fracción de productos C3. Finalmente, el concepto de conversión en tándem mencionado anteriormente se ha extendido a la conversión directa de mezclas de DME/gas de síntesis a propileno. Con este fin, se han desarrollado catalizadores basados en Ag/SiO2 como una funcionalidad de hidrodeshidratación de acetona y se han acoplado al sistema catalítico multifuncional en tándem desarrollado para la producción de acetona. A una temperatura de reacción en el rango de 548-578 K y una presión total de 15 bares, el sistema catalítico en tándem proporciona ratios propileno-a-etileno en el rango 6-9, y selectividades de propileno de hasta el 40%, para una conversión de DME >97%, demostrando que esta ruta de producción es intrínsecamente más selectiva hacia propileno que la mayoría de los procesos de metanol-a-propileno reportados. Además, la temperatura de reacción relativamente suave y el carácter reductor de la atmósfera de gas de síntesis inhiben la deposición de coque, proporcionando un comportamiento estable durante períodos de operación superiores a 214 horas. Aunque se requiere mayor optimización en cuanto al rendimiento a propileno, los resultados abren la puerta a un nuevo proceso para la producción de propileno a partir de materias primas C1, alternativo a los procesos de metanol-a-hidrocarburos. / [CA] L'actual enfocament cap a la desfossilització de la indústria química accentua la necessitat de desenvolupar processos químics mediambientalment més sostenibles. En aquest context, el disseny de sistemes catalítics en tàndem per a dur a terme reaccions mecanísticamente desacoblades en un sol reactor, representa una estratègia prometedora per potencialment reduir la grandària de les instal·lacions i aconseguir majors eficiències energètiques i econòmiques. El gas de síntesi i els seus derivats directes C1 (metanol, DME) representen una atractiva font de carboni no derivada del petroli. La propagació selectiva de cadena des de compostos C1 fins específicament productes C3 continua sent un desafiament important en el camp de la catàlisi heterogènia. En aquesta tesi, es presenta com el disseny racional d'un sistema catalític en tàndem, multifuncional i heterogeni, proporciona una ruta nova i alternativa per a la síntesi directa de productes C3 d'interés a partir de compostos C1. En aquest treball, s'ha estudiat la integració en tàndem de la reacció de carbonilació de compostos metoxi (DME) amb CO, amb la posterior cetonització dels productes carboxílics C2 intermedis corresponents en un sistema catalític multifuncional. La integració dels catalitzadors Ag/MOR i Pd/ZrCeOx respectivament, permet la síntesi directa d'acetona a partir de mescles de DME/gas de síntesi a 548 K i 20 bars. La incorporació d'H-FER nanocristalina en un catalitzador multifuncional metall/òxid/zeolita Pd/ZrCeOx:FER, com a funcionalitat específica d'hidròlisi de l'acetat de metil, intermedi en el procés global, ha permés l'obtenció de rendiments a acetona fins a tres vegades majors en comparació amb els obtinguts utilitzant solament el catalitzador metall/òxid, Pd/ZrCeOx. La funcionalitat específica d'hidròlisi s'ha incorporat sobre la base dels resultats d'estudis cinètics realitzats per a les etapes de reacció per separat, que revelen una limitació general de la velocitat de cetonització a partir del pas d'hidròlisi àcida de l'intermediari acetat de metil. A una distància intercatalítica en el rang de micròmetres, s'ha mantingut una conversió de DME estable (superior al 94%), juntament amb una selectivitat d'acetona del 65-70% (entre tots els productes orgànics) durant almenys 10 dies d'operació contínua. A més, l'atmosfera de gas de síntesi a alta pressió permet la integració de la hidrogenació de grups carbonil, obrint la porta per a la producció no sols d'acetona, sinó també de 2-propanol en un sol reactor. En particular, la incorporació del catalitzador d'hidrogenació Ag-Pt/¿-Al2O3 ha permés aconseguir una selectivitat de 2-propanol del 51% dins de la fracció de productes C3 (és a dir, acetona, 2-propanol, propà i propilé). Finalment, el concepte de conversió en tàndem esmentat anteriorment s'ha estés a la conversió directa de mescles de DME/gas de síntesi a propilé. A aquest efecte, s'han desenvolupat catalitzadors basats en Ag/SiO2 com una funcionalitat de hidro-deshidratació d'acetona i s'han acoblat al sistema catalític multifuncional en tàndem desenvolupat per a la producció d'acetona. A una temperatura de reacció en el rang de 548-578 K i una pressió total de 15 bars, el sistema catalític multifuncional en tàndem proporciona ràtios propilé-a-etilé en el rang 6-9, i selectivitats de propilé de fins al 40%, per a una conversió de DME >97%, demostrant que aquesta ruta de producció és intrínsecament més selectiva cap a propilé que la majoria dels processos de metanol-a-propilé reportats. A més, la temperatura de reacció relativament suau i el caràcter reductor de l'atmosfera de gas de síntesi inhibixen la deposició de coc, proporcionant un comportament estable durant períodes d'operació superiors a 214 hores. Encara que es requereix una major optimització quant al rendiment a propilé, els resultats obrin la porta a un nou procés per a la producció de propilé a partir de matèries primeres C1, alternatiu als processos de metanol-a-hidrocarburs. / [EN] The present focus on advancing towards a defossilized chemical industry underscores the need for developing more environmentally sustainable chemical processes. In this context, the design of tandem-catalytic systems to steer mechanistically decoupled reactions in a cascade fashion, in a single reactor, represents a promising strategy for potentially reduce the installed size of chemical processes and attain higher energy- and cost-efficiencies. Synthesis gas and its direct C1 derivatives (methanol, DME), represent an attractive non-petroleum derived carbon source for the production of commodity chemicals. The selective chain propagation from C1 building blocks to specifically C3 compounds has been demonstrated through biocatalytic routes, however it remains an important challenge for heterogeneous catalysis. In this thesis, we report how the design and engineering of a multifunctional, heterogeneous tandem-catalytic system provides a novel and alternative route for the direct synthesis of C3 compounds from C1 building blocks. The selective obtention of C2+ products with specific chain lengths, surpassing the inherently non-selective C-C chain propagation characteristic of Fischer-Tropsch polymerization reactions, poses a significant challenge. In this work, the tandem integration of the reaction of carbonylation of methoxy compounds (DME) with CO, with subsequent ketonisation of the corresponding C2 carboxylic intermediate products on a multifunctional catalytic system is reported. The integration of an optimized Ag/MOR and Pd/ZrCeOx catalysts, respectively, allows the direct synthesis of acetone from DME/syngas mixtures at 548 K and 20 bar. Enhanced acetone time-yields, i.e. by a factor greater than three, have been obtained by incorporation of nanosized H-FER, as a specific ester hydrolysis functionality in a Pd/ZrCeOx:FER metal/oxide/zeolite multifunctional ketonisation composite catalyst. The specific hydrolysis functionality was implemented based on insights from kinetic studies on the individual reaction steps revealing overall ketonisation rate limitation from the methyl acetate intermediate acid-catalysed hydrolysis step. At the micro-meter range carbonylation/ketonisation intercatalysts spacing, a noticeably stable DME conversion (of >94%), alongside ca. 65-70% acetone selectivity (within all organic products) has been sustained for at least 10 days on-stream. Furthermore, the high-pressure syngas atmosphere allows integrating the hydrogenation of carbonyl groups therefore opening the door for the production of not only acetone but also 2-propanol in a single reactor. Particularly, Ag-Pt/¿-Al2O3 hydrogenation catalyst afforded reaching a 2-propanol selectivity of 51% within the C3 products fraction (i.e. acetone, 2-propanol, propane and propylene). Finally, the above tandem conversion concept has been extended to the direct conversion of DME/syngas mixtures to propylene. To this end, Ag/SiO2 catalysts have been developed as an acetone hydrodehydration functionality and coupled to the multifunctional catalytic-tandem system developed for acetone production from DME/syngas mixtures. At a reaction temperature in the range of 548-578 K and a total pressure of 15 bar, the multifunctional catalytic system affords a remarkably high propylene-to-ethylene molar ratio of 6-9 and overall propylene selectivities up to 40%, at essentially full DME conversion (>97%), proving this production route intrinsically more selective to propylene than most of methanol-to-propylene processes. Moreover, the comparatively mild reaction temperature and the reducing character of the syngas atmosphere inhibit coke deposition, leading to stable performance for times-on-stream in excess of 214 hours. While future improvements in propylene time-yield will be required, the results open the door to a new process for propylene production from C1 feedstocks, alternative to methanol-to-hydrocarbons processes. / I would like to thank the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (MCIU) for my FPU fellowship (FPU17/04751) and the European Research Council (ERC) under the Horizon 2020 research and innovation program (ERC-CoG- TANDEng; grant agreement 864195), which have made possible the realization of this thesis. BASF SE (Ludwigshafen, Germany) is gratefully acknowledged for their support to fundamental research efforts in catalysis, a portion of which has contributed to the outcomes presented in this PhD thesis. I would also like to thank the Spanish Research Council (CSIC) and, particularly, the Institute of Chemical Technology (ITQ), for providing the infrastructure where I have developed my PhD work. Next, I want to thank the Massachusetts Institute of Technology (MIT) for giving me access to their facilities during my short PhD research stay, and to the ALBA synchrotron, especially to the CLÆSS beamline, for the several beamtimes granted. Finally, I would like to thank the department of Chemical and Nuclear Engineering (DIQN) of the Polytechnic University of Valencia (UPV), for hosting me as a teaching assistant over these years / Andrés Marcos, E. (2024). Tandem Catalysis for Selective C1-to-C3 Chain Propagations towards Platform Chemicals Production [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204891

[ES] El panorama industrial actual se enfrenta a desafíos significativos mientras transita hacia la descarbonización y la sostenibilidad, impulsado por el imperativo de lograr emisiones netas cero para 2050. Se espera una importante contribución hacia este objetivo al conectar materias primas no convencionales y renovables, alternativas a los materiales fósiles convencionales como el petróleo, a las cadenas de valor existentes de la industria química. Actualmente, existe un creciente interés industrial en la producción de nitrilos de cadena corta como HCN y acetonitrilo, mientras que se espera que las tasas de demanda global disminuyan en los próximos años en el caso del acrilonitrilo. Como reemplazo para materias primas convencionales para la producción de nitrilos, como las olefinas ligeras C2-3 de origen fósil, el desarrollo de rutas de conversión selectivas a partir de bloques de construcción C1 renovables, como el bio/e-syngas o su derivado metanol, y precursores N1 renovables, como el amoníaco verde, proporciona rutas hacia los productos químicos nitrilos, prospectivamente con una huella de carbono más baja. La presente tesis desarrolla y estudia catalizadores sólidos capaces de dirigir simultáneamente reacciones de acoplamiento C-N y C-C para la producción de nitrilos alifáticos C2+, particularmente acetonitrilo. Se hace hincapié en desvelar la naturaleza y estructura del verdadero catalizador activo, que se desarrolla bajo las condiciones del proceso. Específicamente, la tesis estudia efectos promocionales provocados por la combinación de dos metales en compuestos intersticiales mixtos de metales, aleaciones y compuestos intermetálicos. En primer lugar, se realizan estudios catalíticos y teóricos complementarios de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) sobre la conversión de mezclas de amoníaco (N1) y gas de síntesis (C1, CO+H2) a acetonitrilo con un (pre)catalizador monometálico MoO3. Estos estudios demuestran que MoN1-x, que se desarrolla mediante nitridación superficial, es el catalizador activo real y sugieren que la activación disociativa de HCN, asistida por oxígeno, es el paso controlante de la cinética de formación de acetonitrilo. A continuación, se estudian efectos promocionales de metales de transición divalentes de primera fila en catalizadores basados en molibdeno, utilizando un conjunto de compuestos de molibdato mixto cristalino, estructuralmente análogos, como precursores de catalizador. El dopado con Mn (Mn:Mo ~1) proporciona un catalizador particularmente selectivo y estable para la síntesis de acetonitrilo a partir de mezclas de NH3/gas de síntesis, logrando una tasa de formación de acetonitrilo de 50·10-3 mmol gcat-1 min-1 a 723K. Un conjunto de métodos in situ y operando con sensibilidad bulk y superficial, proporcionan evidencias de que un oxinitruro mixto MnM, con una simetría Fm-3m, y rico en defectos estructurales, representa el catalizador activo. Se sugiere que la mayor oxofilia del oxinitruro mixto MnMo, junto con el papel clave del oxígeno superficial para la activación disociativa de HCN, subyacen al efecto sinérgico de ambos metales. Finalmente, se estudió la conversión de mezclas en fase vapor de metanol (C1) y amoníaco (N1) a compuestos nitrogenados sobre nanocristales bimetálicos GaNi soportados en SiO2. Las aleaciones desordenadas de GaNi (Ga/(Ga+Ni)< 20%) son particularmente selectivas hacia la síntesis de nitrilos, mientras que los compuestos intermetálicos GaNi (Ga/(Ga+Ni)> 40%) catalizan principalmente la aminación de metanol a metilaminas. La difracción de rayos X y espectroscopía de absorción de rayos X, in situ y operando, revelan que el galio es un promotor necesario, el cual contribuye a la estabilización de fases expandidas de fcc Ni(C,N) así como Ni3C, a temperaturas relevantes para la catálisis (673-773K), cuyo desarrollo en la superficie del catalizador corresponde al inicio de la producción de nitrilos C2+ mediante la integración de reacciones de acoplamiento C-N y C-C. / [CA] El panorama industrial actual s'enfronta a desafiaments significatius mentres transita cap a la descarbonització i la sostenibilitat, impulsat per l'imperatiu d'aconseguir emissions netes zero per a 2050. S'espera una important contribució cap a este objectiu en connectar matèries primeres no convencionals i renovables, alternatives als materials fòssils convencionals com el petroli, a les cadenes de valor existents de la indústria química. Actualment, existix un creixent interés industrial en la producció de nitrils de cadena curta com HCN i acetonitril, mentres que s'espera que les taxes de demanda global disminuïsquen en els pròxims anys en el cas del acrilonitrilo. Com a reemplaçament per a matèries primeres convencionals per a la producció de nitrils, com les olefines lleugeres C2-3 d'origen fòssil, el desenvolupament de rutes de conversió selectives a partir de blocs de construcció C1 renovables, com el bio/e-syngas o el seu derivat metanol, i precursors N1 renovables, com l'amoníac verd, proporciona rutes cap als productes químics nitrils, prospectivament amb una petjada de carboni més baixa. La present tesi desenvolupa i estudia catalitzadors sòlids capaços de dirigir simultàniament reaccions d'acoblament C-N i C-C per a la producció de nitrils alifàtics C2+, particularment acetonitril. Es posa l'accent a revelar la naturalesa i estructura del verdader catalitzador actiu, que es desenvolupa sota les condicions del procés. Específicament, la tesi estudia efectes promocionals provocats per la combinació de dos metalls en compostos intersticials mixtos de metalls, aliatges i compostos intermetàl·lics. En primer lloc, es realitzen estudis catalítics i teòrics complementaris de Teoria del Funcional de la Densitat (DFT) sobre la conversió de mescles d'amoníac (N1) i gas de síntesi (C1, CO + H2) a acetonitril amb un (pre)catalitzador monometálico MoO3. Estos estudis demostren que MoN1-x, que es desenvolupa mitjançant nitridació superficial, és el catalitzador actiu real i suggerixen que l'activació dissociativa de HCN, assistida per oxigen, és el pas controlante de la cinètica de formació d'acetonitril. A continuació, s'estudien efectes promocionals de metalls de transició divalentes de primera fila en catalitzadors basats en molibdé, utilitzant un conjunt de compostos de molibdat mixt cristal·lí, estructuralment anàlegs, com a precursors de catalitzador. El dopat amb Mn (Mn:Mo ~1) proporciona un catalitzador particularment selectiu i estable per a la síntesi d'acetonitril a partir de mescles de NH3/gas de síntesi, aconseguint una taxa de formació d'acetonitril de 50·10-3 mmol gcat-1 min-1 a 723 K. Un conjunt de mètodes in situ i operant amb sensibilitat bulk i superficial, proporcionen evidències que un oxinitrur mixt MnM, amb una simetria Fm-3m, i ric en defectes estructurals, representa el catalitzador actiu. Se suggerix que la major oxofilia del oxinitrur mixt MnMo, juntament amb el paper clau de l'oxigen superficial per a l'activació dissociativa de HCN, subjauen a este efecte sinèrgic de tots dos metalls. Finalment, es va estudiar la conversió de mescles en fase vapor de metanol (C1) i amoníac (N1) a compostos nitrogenats sobre nanocristalls bimetàl·lics GaNi suportats en SiO2. Els aliatges desordenats de GaNi (Ga/(Ga+Ni)< 20 %) són particularment selectives cap a la síntesi de nitrils, mentres que els compostos intermetàl·lics GaNi (Ga/(Ga+Ni)> 40 %) catalitzen principalment l'aminació de metanol a metilamines. La difracció de raigs X i espectroscòpia d'absorció de raigs X, in situ i operant, revelen que el gal·li és un promotor necessari, el qual contribuïx a l'estabilització de fases expandides de fcc Ni(C,N) així com Ni3C, a temperatures rellevants per a la catàlisi (673-773 K), el desenvolupament de la qual en la superfície del catalitzador correspon a l'inici de la producció de nitrils C2+ mitjançant la integració de reaccions d'acoblament C-N i C-C. / [EN] The current industrial landscape is facing significant challenges as it transitions towards decarbonization and sustainability, driven by the imperative of achieving net-zero emissions by 2050. An important contribution towards this goal is expected from connecting unconventional and renewable feedstocks, alternative to conventional fossil raw materials such as crude oil, to existing value chains of the chemical industry. There is currently growing industrial interest in the production of short-chain nitriles such as acid cyanide and acetonitrile, while lower global demand rates are expected in the next years for acrylonitrile. Departing from conventional raw materials for nitrile production, such as C2-3 light olefin petrochemicals, the development of selective conversion routes from renewable C1 building blocks, such as bio/e-syngas or its derivative methanol, and renewable N1 precursors, like green ammonia, provides prospectively lower carbon footprint routes towards nitrile commodity chemicals. The present thesis develops and studies solid catalysts able to concomitantly steer C-N and C-C coupling reactions for the production of C2+ aliphatic nitrile N-chemicals, precisely acetonitrile. Emphasis is placed on unveiling the nature and structure or the true working catalyst, which develops under relevant process conditions. Specifically, the thesis studies promotional effects brought about by the combination of two metals in mixed-metal interstitial compounds, alloys and intermetallic compounds. First, complementary catalytic and theoretical Density Functional Theory studies on the conversion of mixtures of ammonia (N1) and syngas (C1, CO and H2) to acetonitrile with a monometallic MoO3 (pre)catalyst show MoN1-x, which develops upon near-surface nitridation, as the actual working catalyst and suggest O-assisted dissociative activation of HCN as a kinetically controlling step towards acetonitrile and higher nitriles. Next, promotional effects by first-row divalent transition metals on molybdenum-based catalysts are studied, using a set of structurally analogous crystalline ammonium mixed-metal molybdate compounds as catalyst precursors. Doping with Mn (Mn:Mo ~1) affords a particularly selective and stable catalyst for acetonitrile synthesis from NH3/syngas mixtures, achieving an acetonitrile formation rate of 50·10-3 mmol gcat-1 min-1 at 723 K. A battery of in situ and operando bulk and near-surface sensitive methods provide evidence that a defective MnMo mixed-metal oxynitride, with a Fm-3m symmetry, best represents the working catalyst. The higher oxophilicity of the mixed-metal MnMo oxynitride, alongside the key role of surface oxygen for HCN dissociative activation, is suggested to underlie the Mn-Mo bimetallic synergistic effect. Finally, the conversion of vapor mixtures of methanol (C1) and ammonia (N1) to N-compounds was studied on SiO2-supported GaNi bimetallic nanocrystals. Disordered GaNi alloys (Ga/(Ga+Ni)< 20 %) show to be particularly selective towards nitrile synthesis, whereas GaNi intermetallic compounds (Ga/(Ga+Ni)> 40 %) catalyzed primarily methanol amination to methylamines. In situ and operando X-ray diffraction and X-ray absorption spectroscopy reveal that Ga is a necessary promoter in nickel-based nanocrystals, contributing to the stabilization of expanded fcc Ni(C,N) and Ni3C phases at catalysis relevant temperatures (673-773 K), whose development on the catalyst surface corresponds to the onset of C2+ nitrile production by integration of C-N and C-C coupling reactions. / Martínez Monje, ME. (2024). Catalytic co-valorization of C1 and N1 compounds towards nitrile chemicals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207107