Controlling reaction pathways in hydrogenation of sugar-derived oxygenates by catalyst design
Metoda syntezy katalizatorów rozwiązaniem umożliwiającym kontrolę selektywności uwodornienia związkow chemicznych otrzymanych z cukrów
Project type: Research and development
Keywords: Kataliza heterogeniczna katalizatory mono- i bimetaliczne kontrola wielkości nanocząstek wielofunkcyjne katalizatory waloryzacja biomasy 5- hydroksymetylofurfural kwas lewulinowy uwodornienie wodoroliza odtlenienie
Keywords (english): Heterogeneous catalysis mono- and bimetallic catalysts nanoparticle size control multifunctional catalysts biomass valorization 5-hydroxymethylfurfural levulinic acid hydrogenation hydrogenolysis deoxygenation
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 14/09/2021 - 13/09/2024
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Opus
Project manager: Agnieszka Ruppert
Funding value: 894 748,00 PLN
Total project value: 894 748,00 PLN
Jednym z głównych zagrożeń związanych z rozwojem cywilizacji jest wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych oraz zwiększające się zanieczyszczenie środowiska. Sposobem zapobiegania takiej sytuacji jest wykorzystanie odnawialnych surowców zarówno do produkcji paliw jak i związków chemicznych o istotnym znaczeniu przemysłowym. Przeprowadzone badania naukowe sugerują, że wykorzystanie biomasy lignocelulozowej do produkcji prekursorów polimerów, paliw i innych związków chemicznych może stanowić bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do tradycyjnych rozwiązań. Jest ona stosunkowo tania, nie konkuruje z produkcją żywności i może przyczyniać się do ograniczenia emisji dwutlenku węgla. Proces konwersji biomasy może przebiegać dużo wydajnniej przy użyciu katalizatorów heterogenicznych. Katalizatory te składają się najczęściej z fazy metalicznej naniesionej na nośnik tlenkowy zwiększający stabilność i stopień rozproszenia metalu na powierzchni. Dlatego głównym celem projektu jest opracowanie wydajnej i zrównoważonej metody produkcji cennych chemikaliów (prekursorów polimerów, biopaliw, i innych) z odnawialnych surowców. Można to osiągnąć jedynie poprzez opracowanie materiałów katalitycznych, które są aktywne i selektywne w reakcji, a dzięki ich obecności można otrzymać produkty reakcji. Decydujące dla przebiegu reakcji właściwości katalizatora to wielkość cząstek metali oraz zasadowe właściwości kwasowe nośnika. Aby rozwiązać ten problem badawczy, podeszliśmy do problemu globalnie. Dlatego zdecydowaliśmy się połączyć siły dwóch grup naukowych, które mają doświadczenie w kontrolowanej syntezie nanocząstek (Politechnika Łódzka) oraz syntezie materiałów mezoporowatych o zrównoważonej liczbie miejsc kwasowo-zasadowych (Uniwersytet Chemiczno-Techniczny w Pradze w Czechach). Dodatkowo zastosujemy nowatorską metodologię pozwalającą na otrzymanie nanocząstek o w pełni dostosowanej wielkości i lokalizacji krystalitu na podłożu po raz pierwszy. Podejście to w połączeniu ze szczegółową charakterystyką właściwości fizykochemicznych przy użyciu wysoce zaawansowanych technologii pozwoli nam zrozumieć, które czynniki są kluczowe dla syntezy wybranych związków chemicznych z biomasy.
A transition from fossil-based (mainly crude oil/natural gas) resources towards a sustainable, nearly CO2-neutral energyeconomy is pivotal to industrial renewal for covering the future needs of chemicals, energy and fuels. To this purpose,heterogeneous catalysis is expected to play a major role in the establishment of an environmentally benign 'renewablebased chemicals' industry.Particularly, lignocellulosic biomass, which is based on non-food part of the plants, e.g. agricultural and forestry wasteand fast-growing grass, is considered as a valuable sustainable feedstock, able to provide the basis of new sustainablevalue chains towards renewables such as biofuels, fuel additives, specialty (high value-add) chemicals, as well as the highly valuable chemicals called platform molecules. Among them, 5-hydroxymethylfurfural (HMF) and levulinic acid (LA) show a great potential as they can be converted tonewly recognized attractive chemicals, including 2,5-bishydroxymethylfuran (BHMF), 1,6-hexanediol (HDOL), 1,4-pentanediol (PDOL) or valeric acid (VA) to name a few. The main challenge associated with the use of these intermediates is their rich chemistry and, hence, difficulties in getting high selectivity to the final targeted products. Selective transformation of biomass-derived platform chemicals, such as HMF and LA, may afford high-value-added chemicals for future biorefinery schemes and make the chemical industry more sustainable. However, the methods or catalysts reported so far yield poor selectivity towards the interesting/target products. To fully control these transformations, it is essential not only to describe the reaction pathways, but to understand the role of specific functionalities of the heterogeneous catalysts on the course of the reactions and to combine intimately appropriate functionalities into advanced multifunctional catalysts to selectively steer the transformation to desired products. The project therefore concentrates on the design of advanced heterogeneous catalysts, and on the understanding of the key-factors being crucial for reaching high activity and selectivity in two reactions of high fundamental and applicative interest related with the biomass conversion process chain. Hence, the main goal is to understand how the key catalyst-design parameters including the metal nanoparticle size and location, the metal crystallite promotion as well as the support characteristics and its acid-base properties, affect the individual reaction rates (carbonyl hydrogenation, aromatic ring hydrogenation, selective ring opening) and, hence, the selectivity to the targeted specific products. This will be realized by: - Investigation of the activity performances of heterogeneous catalysts in two bio-based processes, namely LA hydrogenation and HMF hydrodeoxygenation, for which the ring-opening control is the key challenge. - Size- and location-control of mono- and bi-metallic nanoparticles dispersed on multi-functional supports by the rationalization of a novel, low temperature photo-assisted synthesis method. - Development of multifunctional supports combining tunable acido-basic surface properties with a controlled metalsupport interaction and enhanced coke resistance. - Investigation of the flow reaction versus the batch system, as important engineering aspect to consider for further development of the processes. This project will be conducted in the frame of a Polish/Czech collaboration between the Lodz University of Technology and the University of Chemistry and Technology Prague. Both research teams have a strong and complementary expertise in the two main research fields to be investigated, namely the design of supported metal catalysts through innovative synthesis methods and the design of novel composite mesoporous supports, respectively, while they share a common interest in the application of those heterogeneous catalysts in the valorization of biomass-derived molecules, in batch and flow reaction systems, respectively. The collaborative project will further benefit from the pooling of specific advanced characterization techniques of catalysts, in which both partners developed a specific expertise.
Go back