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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ausgewählte weit- bis superweitporige Molekularsiebe mit unbekannter bzw. ungewöhnlicher Porenarchitektur hergestellt, chemisch-physikalisch charakterisiert und in sauer sowie bifunktionell katalysierten Testreaktionen erprobt. Untersucht wurde Zeolith ZSM-25, der zu den 12-Ring-Molekularsieben gezählt wird, dessen genaue Struktur aber bis heute unbekannt ist. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Molekularsieb nur eine sehr kleine innere spezifische Oberfläche besitzt. Weiterhin wurden die Synthese und die Eigenschaften von Zeolith NU-87, der aus einem Porensystem von sich kreuzenden 10- und 12-Ring-Kanälen aufgebaut ist, untersucht. Sowohl im Produktspektrum der Ethylbenzol-Disproportionierung als auch bei der bifunktionell katalysierten n-Decan-Isomerisierung konnten Bestätigungen für die ungewöhnliche Porenarchitektur gefunden werden. Für Zeolith ZSM-12 wurde der Aluminiumgehalt variiert und die erhaltenen Katalysatoren in der Ethylbenzol-Disproportionierung getestet. Dabei konnte anhand der Veränderungen in den Selektivitäten für die drei Diethylbenzol-Isomere gezeigt werden, dass das eindimensionale Porensystem dieses Zeoliths mit zunehmender Katalysators-Laufzeit immer stärker verkokt. Zeolith SSZ-24 ist isostrukturell zum Alumophosphat AlPO4-5 und wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals direkt (d.h. über Hydrothermalsynthese) hergestellt. Der Zeolith zeigt in der Disproportionierung von Ethylbenzol nur eine geringe katalytische Aktivität. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit stellte die Synthese und Charakterisierung von Molekularsieben mit IFR-Topologie (Silikat-Polymorph ITQ-4, Alumosilikat MCM-58, Gallosilikat [Ga] MCM-58, Borosilikat SSZ 42) dar. In der Disproportionierung von Ethylbenzol erwiesen sich HMCM-58 und [Ga] HMCM-58 als hochaktive Katalysatoren mit Umsätzen nahe dem berechneten thermodynamischen Gleichgewicht. Bifunktionelle Katalysatoren mit IFR-Struktur wurden in der Isomerisierung von n-Decan untersucht. Der superweitporige Zeolith UTD-1 (DON-Topologie) konnte mit einer selbst modifizierten Literaturvorschrift als Borosilikat hergestellt werden. Dieses wurde anschließend in das entsprechende Alumo- bzw. Gallosilikat überführt. In der Disproportionierung von Ethylbenzol und der Isomerisierung von n-Decan zeigten die Alumo- und das Gallosilikat-Katalysatoren nur eine sehr geringe katalytische Aktivität.
The main focus of this dissertation is the synthesis and characterization of more recent zeolites with different pore architectures. The unique shape-selective properties of the zeolites are important in various chemical processes and the new zeolites containing novel internal pore architectures are of high interest, since they could lead to further improvement of existing processes or open the way to new applications. This dissertation is organized in the following way: The first part is focused on the synthesis of selected recent zeolites with different pore architectures and their modification to the acidic and bifunctional forms. The second part comprises the characterization of the physicochemical properties of the prepared zeolites by selected physicochemical methods, viz. powder X-ray diffractometry (XRD), N2 adsorption, thermogravimetric analysis (TGA/DTA/MS), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, atomic absorption spectroscopy (AAS), infrared (IR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), 27Al and 29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectroscopy, temperature-programmed reduction (TPR), temperature-programmed desorption of pyridine (pyridine TPD) and adsorption experiments with hydrocarbon adsorptives. The third part of this work is devoted to the application of test reactions, i.e., the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and the bifunctional hydroconversion of n-decane, to characterize the pore size and architecture of the prepared zeolites. They are known to be valuable tools for exploring the pore structure of zeolites. Finally, an additional test, viz. the competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene, has been applied to probe the location of noble metals in medium pore zeolite. The synthesis of the following zeolite molecular sieves was successfully performed in the frame of this thesis (they are ranked according to the largest window size in the respective structure): • 14-MR pores: UTD-1, CIT-5, SSZ-53 and IM-12 • 12-MR pores: ITQ-21 and MCM-68 • 10-MR pores: SSZ-35 and MCM-71 All of them were obtained as pure phase (except zeolite MCM-71 with a minor impurity phase that is hardly to avoid and also present in samples shown in the patent literature). The synthesis conditions are very critical with respect to the formation of the zeolite with a given structure. In this work, the recommended synthesis recipes are included. Among the 14-MR zeolites, the aluminosilicates UTD-1 (nSi/nAl = 28), CIT-5 (nSi/nAl = 116) and SSZ-53 (nSi/nAl = 55) with unidimensional extra-large pore opening formed from 14-MR rings exhibit promising catalytic properties with high thermal stability and they possess strong Brønsted-acid sites. By contrast, the germanosilicate IM-12 with a structure containing 14-MR channels intersecting with 12-MR channels is unstable toward moisture. It was found that UTD-1 and SSZ-53 zeolites are highly active catalysts for the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and n-decane hydroconversion due to their high Brønsted acidity. To explore their pore structures, the applied two test reactions suggest that UTD-1, CIT-5 and SSZ-53 zeolites contain a very open pore system (12-MR or larger pore systems) because the product distributions are not hampered by too small pores. ITQ-21, a germanoaluminosilicate zeolite with a three-dimensional pore system and large spherical cages accessible through six 12-MR windows, can be synthesized with nSi/nAl ratios between 27 and >200. It possesses a large amount of Brønsted-acid sites. The aluminosilicate zeolite MCM-68 (nSi/nAl = 9) is an extremely active catalyst in the disproportionation of ethylbenzene and in the n-decane hydroconversion. This is due to the presence of a high density of strong Brønsted-acid sites in its structure. The disproportionation of ethylbenzene suggests that MCM-68 is a large pore (i.e., at least 12-MR) zeolite, in agreement with its crystallographic structure. In the hydroconversion of n-decane, the presence of tribranched and ethylbranched isomers and a high isopentane yield of 58 % in the hydrocracked products suggest the presence of large (12-MR) pores in its structure. By contrast, a relatively high value for CI* (modified constraint index) of 2.9 suggests the presence of medium (10-MR) pores in its structure. As a whole, the results are in-line with the crystallographic structure of MCM-68. SSZ-35, a 10-MR zeolite, can be synthesized in a broad range of nSi/nAl ratios between 11 and >500. This zeolite is interesting in terms of shape selectivity resulting from its unusual pore system having unidimensional channels alternating between 10-MR windows and large 18-MR cages. This thermally very stable zeolite contains both, strong Brønsted- and strong Lewis-acid sites. The disproportionation of ethylbenzene classifies SSZ-35 as a large pore zeolite. In the hydroconversion of n-decane, the suppression of bulky ethyloctanes and propylheptane clearly suggests the presence of 10-MR sections in the pore system. By contrast, the low CI* values of 1.2-2.3 and the high isopentane yields of 56-60 % in the hydrocracked products suggest that SSZ-35 also possesses larger intracystalline voids, i.e., the 18-MR cages. The results from the catalytic characterization are in good agreement with the crystallographic structure of zeolite SSZ-35. It was also found that the nSi/nAl ratio influences the crystallite size and therefore the external surface area. As a consequence, product selectivities are also influenced: The lowest nSi/nAl ratio or the smallest crystallite size sample produces larger amounts of the relatively bulky products. The formation of these products probably results from the higher conversion or they are preferentially formed on the external surface area of the catalyst. Zeolite MCM-71 (nSi/nAl = 8) possesses an extremely thermally stable structure and contains a high concentration of Brønsted-acid sites. Its structure allows for the separation of n-alkanes from branched alkanes by selective adsorption. MCM-71 exhibits unique shape-selective properties towards the product distribution in ethylbenzene disproportionation, which is different to those obtained in the medium pore SSZ-35 zeolite. All reaction parameters are fulfilled to classify MCM-71 as medium pore zeolite and this is in good agreement with its reported structure consisting of two-dimensional network of elliptical 10-MR channels and an orthogonal sinusoidal 8-MR channels. The competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene was exploited to probe that the major part of the noble metal is located inside the intracrystalline void volume of the medium pore zeolite SSZ-35.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Synthese und Charakterisierung neuartiger basischer Feststoffkatalysatoren. Für die Herstellung dieser neuen Materialien wurden Zeolithe, mesoporöse Molekularsiebe sowie mikroporöse und amorphe Aluminiumphosphate bei Temperaturen von 700 °C bis 850 °C im Ammoniakstrom behandelt. Die Charakterisierung erfolgte mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Stickstoffadsorption, Thermogravimetrie/Massenspektrometrie, temperaturprogrammierter Desorption von Pyrrol und DRIFT-spektroskopischen Untersuchungen. Die katalytischen Eigenschaften wurden mit der Knoevenagel-Kondensation von Benzaldehyd mit Malonsäuredinitril bzw. Cyanessigsäureethylester sowie der Umsetzung von Limonen in der Gasphase getestet. Als Referenzmaterial wurde Zeolith NaY, der mit verschiedenen Kationen ausgetauscht bzw. mit Cäsiumacetat imprägniert wurde, verwendet. Sowohl die Röntgen-Pulverdiffraktogramme als auch die Bestimmung der spezifischen Oberflächen durch Stickstoffadsorption ergaben, dass nach der Ammoniakbehandlung die Struktur der verwendeten Katalysatoren im Wesentlichen erhalten blieb. Anhand von DRIFT-Spektren, die während der Ammoniakbehandlung aufgenommen wurden, konnte nachgewiesen werden, dass ein Einbau von Stickstoff in die Gerüste der Zeolithe, mesoporösen Molekularsiebe und Aluminiumphosphate erfolgte. Mit Hilfe der temperaturprogrammierten Desorption von Pyrrol konnten verschiedene basische Zentren bei den einzelnen Katalysatoren detektiert werden. Durch die Nitridierung wurde bei fast allen Katalysatoren eine Veränderung der Adsorptionseigenschaften von Pyrrol gemessen, die auf eine größere Anzahl bzw. auf stärker basische Zentren hindeutet. IR-spektroskopische Untersuchungen zur Adsorption von Pyrrol zeigten, dass die Ammoniakbehandlung zu einer Zunahme der Stärke von basischen Zentren führt. Die katalytischen Tests in der Knoevenagel-Kondensation ergaben, dass in fast allen Fällen eine Aktivitätssteigerung des ammoniakbehandelten Katalysators im Vergleich zum unbehandelten Ausgangsmaterial erfolgte. Die Aktivität ist dabei abhängig von den Modifizierungsbedingungen wie z.B. Behandlungsdauer und Behandlungstemperatur, aber auch von den Lagerungsbedingungen. Als weitere Testreaktion wurde die Umsetzung von Limonen gewählt. Anhand von mit Alkalimetall ausgetauschten Zeolithen mit FAU-Struktur konnte gezeigt werden, dass die p-Cymol-Ausbeute ein Maß für die Basizität der Katalysatoren ist. Bei fast allen Katalysatoren wurde eine Steigerung der p-Cymol-Ausbeute infolge der Ammoniakbehandlung gefunden. Neben dem Si:Al-Verhältnis spielen auch die Gegenionen und die Anzahl von Silanolgruppen eine entscheidende Rolle.
Aus der Literatur war bekannt, daß Kieselgel im allgemeinen eine höhere Affinität zu Wasser als zu Aminosäuren zeigt und es sich daher nicht zur Isolierung von Aminosäuren eignet. Obwohl sich Kieselgel und MCM-41 in bezug auf ihre lokale chemische Oberflächen-beschaffenheit einander sehr ähnlich sind, ließen sich Aminosäuren aus wäßrigen Lösungen durch Adsorption am mesoporösen Molekularsieb hingegen abtrennen. Die Charakterisierung einer aluminiumfreien MCM-41-Probe vor und nach der Adsorption von Phenylalanin zeigte, daß sich die aromatische Aminosäure in den Mesoporen des Molekularsiebs anreichert. Sowohl aus IR-spektroskopischen Untersuchungen des Adsorbats, als auch aus dem Adsorptionsverhalten des Materials gegenüber einer sauren, basischen bzw. neutralen Aminosäure bei unterschiedlichen pH-Werten konnte geschlossen werden, daß elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den positiv geladenen Ammoniumgruppen der Aminosäuren und negativ geladenen Silanolatgrupppen (dissoziierte Silanolgruppen) auf der Oberfläche des Adsorbens bestehen. Die Adsorptionskapazität von MCM-41 gegenüber Aminosäuren mit unpolaren Seitenketten nahm mit steigender Länge der Seitenkette zu. Daraus folgte, daß für die Adsorption auch hydrophobe Wechselwirkungen eine Rolle spielen. Vergleicht man die Ergebnisse der Adsorption von Phenylalanin an MCM-41 (Poren-durch-messer = 3,1 nm), SBA-15 (Poren-durch-messer = 9,8 nm) und Kieselgel miteinander, so fällt auf, daß die Adsorptionskapazität der Materialen mit zunehmendem Porendurchmesser bis hin zur praktisch flachen Kieselgel-oberfläche abnimmt. Mit zunehmender Porenkrümmung verringert sich offenbar der Abstand zwischen den Seitenketten benachbarter adsorbierter Aminosäuremoleküle, so daß sich zwischen diesen in stärkerem Maße hydrophobe Wechselwirkungen ausbilden können, die zur Adsorption beitragen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnte anhand von Stickstoff-Physisorptionsmessungen gezeigt werden, daß die Adsorption von Aminosäuren innerhalb der Mikroporen von Zeolithen erfolgt. Die Ergebnisse für die systematische Variation der Aminosäure-Seitenkette, der Struktur und des Aluminiumgehalts der als Adsorbentien eingesetzten Zeolithe sowie des pH-Wertes der Adsorptionslösung können wie folgt zusammengefaßt werden: Lag der pH-Wert der Adsorptionslösung unterhalb bzw. in der Nähe des isoelektrischen Punktes der Aminosäure, so waren elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der positiv geladenen Ammoniumgruppe der Aminosäure und dem negativ geladenen Zeolithgitter von entscheidender Bedeutung für die Adsorption. Dieser Ionenaustausch wurde durch Adsorpt-Adsorpt-Wechselwirkungen ergänzt, die sich zwischen den hydrophoben Seitenketten von einander benachbarten adsorbierten Aminosäuremolekülen ausbildeten. Die Stärke dieser hydrophoben Wechselwirkungen stieg mit der Länge der Aminosäure-Seitenkette an und hing darüber hinaus von der Porengeometrie des Zeoliths ab. Das Ausmaß der diskutierten ionischen Wechselwirkungen nahm mit dem Aluminiumgehalt des Zeoliths zu. Am Beispiel einer Lösung von Leucin und Phenylalanin konnte gezeigt werden, daß sich selbst einander chemisch sehr ähnliche Aminosäuren an Zeolithen im Prinzip trennen lassen. Bei einem pH-Wert von 6 wurde für dieses Aminosäurepaar unter Verwendung von Zeolithen mit einem nSi/nAl-Verhältnis von etwa 30 eine deutliche Abhängigkeit des Trenneffektes von der Porengröße der Zeolithe beobachtet. Während für mittelporige Zeolithe die adsorbierte Leucinmenge deutlich über der adsorbierten Phenylalaninmenge lag, adsorbierten weitporige Zeolithe bevorzugt Phenylalanin. Dieses Verhalten läßt sich mit den oben beschriebenen grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren und Zeolithen erklären. Der Anteil der adsorbierten Phenylalaninmenge an der gesamten adsorbierten Aminosäuremenge sowie der Trennfaktor K zeigten daher eine lineare Abhängigkeit vom Spaciousness Index SI der untersuchten Zeolithe. Das Ausmaß der Trennung stieg jeweils mit den Stoffmengenanteilen der beiden Aminosäuren in der Lösung an. Für Leucin und Phenylalanin ließen die Messungen der jeweiligen Adsorptionsisothermen an den unter-suchten Zeolithen Aussagen über die Trennung eines Gemischs der beiden Aminosäuren zu. Dazu wurden aus den ermittelten Adsorptionskonstanten die Trennfaktoren für die jeweiligen Adsorbentien berechnet. Schließlich konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit demonstriert werden, daß die Abtrennung von Aminosäuren aus wäßrigen Lösungen an mikro- und mesoporösen Molekularsieben auch im kontinuierlich betriebenen Festbettadsorber durchgeführt werden kann.
Motivation dieser Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von Katalysatoren zur selektiven Dimerisierung von 1-Hexen zu n-Dodecen und zu möglichst wenig verzweigten Produkten. Untersucht wurden die Zeolithe Y, L und ZSM-12 sowie die Silicoalumophosphate SAPO-5, SAPO-11, SAPO-31 und SAPO-41. Für die BrØnsted-aciden Katalysatoren ist festzuhalten: Alle hergestellten Zeolithe, das heißt H-Y, H-L und H-ZSM-12, verfügten über starke acide Zentren. Zeolith H-L erwies sich ebenfalls als sehr aktives Material. Die Selektivitäten zu den Zielprodukten waren bei vergleichbaren Umsätzen etwas höher als bei Verwendung von H-Y, was für einen schwachen formselektiven Effekt spricht. An Zeolith H-ZSM-12 wurden nur geringe Umsätze erzielt. Für die Silicoalumophosphate wurde gefunden: Alle verfügen über acide Zentren, welche jedoch etwas schwächer waren als die der BrØnsted-aciden Zeolithe. Um vergleichbare Umsätze wie an den Zeolithen zu erzielen, waren daher höhere Reaktionstemperaturen oder längere Reaktionszeiten erforderlich. H-SAPO-5 zeigte dabei eine gegenüber H-L erhöhte Selektivität zu den Zielprodukten, vermutlich aufgrund der etwas engeren Poren. H-SAPO-11, H-SAPO-31 und H-SAPO-41 zeigten trotz vorhandener und zugänglicher acider Zentren nur vernachlässigbare Umsätze. Analog zu Zeolith H-ZSM-12 wird dies auch hier auf die zu engen Poren zurückgeführt, welche die Bildung des Übergangszustandes offensichtlich nicht zulassen. Wurde Nickel in die Katalysatoren eingebracht, zeigten sich Unterschiede, die vor allem von der Präparationsmethode abhängen. Durch verschiedene Methoden gelang es, Katalysatoren herzustellen, die eine hohe Selektivität entweder zu n-Dodecen oder zu einfach verzweigten Dodecenen aufwiesen. Durch Ionenaustausch mit Nickelacetat in wässriger Lösung wurden Ni-Y, Ni-L und NiH-SAPO-5 hergestellt. Diese Materialien verfügten wahrscheinlich über Nickel auf Kationenpositionen. Sie zeigten eine gegenüber der sauren Form deutlich erhöhte Selektivität zu den Zielprodukten, der Effekt nahm in der Reihe Ni-Y < Ni-L < NiH-SAPO-5 zu. Analog zu den Resultaten an H-Y, H-L und H-SAPO-5 lässt sich dies mit einer zunehmenden Formselektivität durch das Porensystem der Katalysatoren begründen. Bei Ni-Y und NiH-SAPO-5 ließen sich mittels Temperaturprogrammierter Reduktion zwei verschiedene Nickelspezies nachweisen, die sich vermutlich durch die ihre Position in Gitter unterscheiden und dadurch eine unterschiedliche Stabilisierung gegenüber einer Reduktion erfahren. Wurde bei Ni-Y und NiH-SAPO-5 die jeweils leichter zu reduzierende Nickelspezies mit Wasserstoff reduziert, zeigten die so behandelten Katalysatoren eine stark verringerte Aktivität in der Katalyse. Dies ist in Einklang mit dem vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus, der von Ni(I) als aktiver Spezies ausgeht (welche durch eine Autoreduktion von Ni(II) während der Aktivierung des Katalysators erzeugt werden): Wird Nickel durch den Träger sehr stark stabilisiert, ist keine Autoreduktion mehr möglich und somit die Aktivität des Katalysators sehr gering. NiH-SAPO-5 wurde mit verschiedenen Siliciumanteilen hergestellt, was das Einbringen verschiedener Mengen an Nickel durch Ionenaustausch erlaubte. Hierbei zeigte sich, dass die Selektivität zu den Zielprodukten mit dem Nickelgehalt zunimmt und durch Verwendung eines H-SAPO-5 mit xSi = 0,20 (und damit hoher Ionenaustauschkapazität) bis zu 89 % Selektivität zu C12-Isomeren erreicht werden können, wobei diese je etwa zur Hälfte aus n-Dodecen und zur Hälfte einfach verzweigte Dimeren bestanden. Sollten bevorzugt einfach verzweigte Dodecene hergestellt werden, so war es durch Festkörperreaktion des BrØnsted-aciden Trägers mit Nickelacetat möglich, einen Katalysator zu präparieren, der keine linearen Produkte lieferte und bei geeignetem Nickelgehalt eine hohe Selektivität zu einfach verzweigten Dimeren aufwies. Dieser Effekt ist nur wenig vom Porensystem des Trägers, jedoch stark von dessen Ionenaustauschkapazität abhängig. Je höher diese ist, umso höher ist auch die Selektivität des resultierenden Katalysators. Wie TPD-Messungen mit 1-Aminopentan und Ammoniak als Sondenmoleküle zeigten, besaßen die so präparierten Materialien keine sauren Zentren mehr. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass es durch geeignete Wahl der Präparationsmethode und der Porengeometrie möglich ist, Katalysatoren zu erhalten, die entweder zur Herstellung von n-Dodecen oder zu überwiegend wenig verzweigten C12-Isomeren geeignet sind. Überraschenderweise, gelang es außerdem, mit dem gleichem Trägermaterial Katalysatoren herzustellen, welche kein n-Dodecen liefern, aber eine sehr hohe Selektivität zu einfach verzweigten C12-Isomeren besitzen. Vor allem anhand von NiH-SAPO-5 konnte weiterhin belegt werden, dass die Kombination aus geeigneter Porengeometrie und Nickel eine geeignete Methode zur Herstellung von Katalysatoren für die selektive Dimerisierung von 1-Hexen zu n-Dodecen ist.