Síntese de nanopartículas de ZrO2/SO42- e ZrO2/Fe3+ por método solvotérmico e aplicação na catálise de reações de esterificação
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Data de Publicação: | 2024 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19495 |
Resumo: | With the advent of nanotechnology and the production of nanostructured materials, research in recent decades has identified that it is often possible to improve the physical-chemical properties of materials by changing their scale. Zirconium oxide (ZrO2), studied in this work, presents catalytic properties for some chemical reactions. When producing nanoparticles of this material, the specific surface area is increased, where catalysis occurs. Among the catalyzed reactions, esterification stands out, which is relevant to produce biodiesel as a renewable alternative to fossil fuels. Pure, sulfated or iron(III) doped zirconium oxide were synthesized by the solvothermal route with and without microwave incidence. Both synthesis routes allowed obtaining powders with similar yields, and sulfate functionalization was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). This technique also provided evidence that the washing steps were not able to eliminate all the organic residue adsorbed on ZrO2. Scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) results indicated that the material was highly agglomerated, but that there were particles smaller than a few micrometers. After analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), there was a strong indication of the formation of the desired material, as well as the presence of iron(III) as a dopant and the presence of carbon and chlorine in the material, coming from the synthesis route. X-ray diffractometry (XRD) showed that the samples synthesized on the heating plate crystallized in the tetragonal structure with an average crystallite size varying between 2 and 7 nm, while with microwave incidence there was an amorphous structure. The ideal calcination parameters were determined with the XRD technique, noting that calcination for 30 minutes at 500 ºC was enough for crystallization in the tetragonal phase, doubling the crystallite size of some samples, varying between 7 and 16 nm, in addition to eliminating the adsorbed residues. The nanoparticles were applied in the catalysis of the esterification between oleic acid and methanol or ethanol at 60 ºC. The conversion rates were determined through the elaboration of calibration curves and the deconvolution of carbonyl peaks in the infrared spectra of the reaction products. Catalytic activity was noted for practically all pure, functionalized and doped samples, with iron(III) doped samples having the best performance, such as ZrO2/Fe3+ sample produced with the heating plate, with 86.3% conversion. |
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When producing nanoparticles of this material, the specific surface area is increased, where catalysis occurs. Among the catalyzed reactions, esterification stands out, which is relevant to produce biodiesel as a renewable alternative to fossil fuels. Pure, sulfated or iron(III) doped zirconium oxide were synthesized by the solvothermal route with and without microwave incidence. Both synthesis routes allowed obtaining powders with similar yields, and sulfate functionalization was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). This technique also provided evidence that the washing steps were not able to eliminate all the organic residue adsorbed on ZrO2. Scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) results indicated that the material was highly agglomerated, but that there were particles smaller than a few micrometers. After analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), there was a strong indication of the formation of the desired material, as well as the presence of iron(III) as a dopant and the presence of carbon and chlorine in the material, coming from the synthesis route. X-ray diffractometry (XRD) showed that the samples synthesized on the heating plate crystallized in the tetragonal structure with an average crystallite size varying between 2 and 7 nm, while with microwave incidence there was an amorphous structure. The ideal calcination parameters were determined with the XRD technique, noting that calcination for 30 minutes at 500 ºC was enough for crystallization in the tetragonal phase, doubling the crystallite size of some samples, varying between 7 and 16 nm, in addition to eliminating the adsorbed residues. The nanoparticles were applied in the catalysis of the esterification between oleic acid and methanol or ethanol at 60 ºC. The conversion rates were determined through the elaboration of calibration curves and the deconvolution of carbonyl peaks in the infrared spectra of the reaction products. Catalytic activity was noted for practically all pure, functionalized and doped samples, with iron(III) doped samples having the best performance, such as ZrO2/Fe3+ sample produced with the heating plate, with 86.3% conversion.Com o advento da nanotecnologia e produção de materiais nanoestruturados, pesquisas das últimas décadas identificaram que muitas vezes é possível aprimorar propriedades físicoquímicas de materiais ao alterar sua escala. O óxido de zircônio (ZrO2), estudado neste trabalho, apresenta propriedades catalíticas frente a algumas reações químicas. Ao produzir nanopartículas desse material, aumenta-se a área superficial específica, onde ocorre a catálise. Dentre as reações catalisadas, destaca-se a esterificação, relevante para a produção do biodiesel como uma alternativa renovável aos combustíveis fósseis. O óxido de zircônio puro, sulfatado ou dopado com ferro(III) foi sintetizado pela rota solvotérmica com e sem incidência de microondas. Ambas as rotas de síntese permitiram obter produtos na forma de pó com rendimentos similares, e a sulfatação foi confirmada por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Essa técnica também forneceu indícios de que a etapa de lavagem não foi capaz de eliminar todo o resíduo orgânico adsorvido no ZrO2. Os resultados de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espalhamento dinâmico de luz (DLS) indicaram que o material se encontrava bastante aglomerado, mas que existiam partículas de dimensões inferiores a alguns micrômetros. Após análise por espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS), houve forte indício da formação do material desejado, assim como da presença do ferro como dopante e a presença de carbono e cloro no material, provenientes da rota de síntese. A difratometria de raios X (DRX) mostrou que as amostras sintetizadas em chapa de aquecimento cristalizaram na estrutura tetragonal com tamanho médio de cristalito variando entre 2 e 7 nm, enquanto com incidência de micro-ondas houve formação amorfa. Os parâmetros ideais de calcinação foram determinados com a técnica de DRX, notando que calcinação por 30 minutos a 500 ºC era o suficiente para cristalização na forma tetragonal, dobrando o tamanho de cristalito de algumas amostras, variando entre 7 e 16 nm, além de eliminar os resíduos adsorvidos. As nanopartículas foram aplicadas na catálise da esterificação entre o ácido oleico e metanol ou etanol a 60 ºC. As taxas de conversão foram determinadas por meio da elaboração de curvas de calibração e a deconvolução de picos das carbonilas nos espectros na região do infravermelho dos produtos de reação. Notou-se atividade catalítica para praticamente todas as amostras puras, funcionalizadas e dopadas, sendo as amostras dopadas com ferro(III) as que obtiveram o melhor desempenho, como a amostra de ZrO2/Fe3+ feita em chapa de aquecimento, com 86,3% de conversão.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Processo nº 88887.694131/2022-00 do Programa DSporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus SorocabaPrograma de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais - PPGCM-SoUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessÓxido de ZircônioSínteseEsterificaçãoCatáliseZirconium OxideSynthesisEsterificationCatalysisCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::DETERMINACAO DE ESTRUTURA DE COMPOSTOS INORGANICOSCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::FISICO QUIMICA INORGANICACIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ORGANICA::QUIMICA DOS PRODUTOS NATURAISCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICACIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ORGANICASíntese de nanopartículas de ZrO2/SO42- e ZrO2/Fe3+ por método solvotérmico e aplicação na catálise de reações de esterificaçãoSolvothermal synthesis of ZrO2/SO42- and ZrO2/Fe3+ nanoparticles and application in the catalysis of esterification reactionsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação-Guilherme-Pegoraro-final.pdfDissertação-Guilherme-Pegoraro-final.pdfDissertação completaapplication/pdf3542585https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19495/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o-Guilherme-Pegoraro-final.pdf9c415c67b36849293806ff189cc870aeMD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19495/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTDissertação-Guilherme-Pegoraro-final.pdf.txtDissertação-Guilherme-Pegoraro-final.pdf.txtExtracted texttext/plain167273https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19495/3/Disserta%c3%a7%c3%a3o-Guilherme-Pegoraro-final.pdf.txt77518c91883bbfec341283f6bc59c42eMD53ufscar/194952024-05-14 17:36:40.065oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19495Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:36:40Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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With the advent of nanotechnology and the production of nanostructured materials, research in recent decades has identified that it is often possible to improve the physical-chemical properties of materials by changing their scale. Zirconium oxide (ZrO2), studied in this work, presents catalytic properties for some chemical reactions. When producing nanoparticles of this material, the specific surface area is increased, where catalysis occurs. Among the catalyzed reactions, esterification stands out, which is relevant to produce biodiesel as a renewable alternative to fossil fuels. Pure, sulfated or iron(III) doped zirconium oxide were synthesized by the solvothermal route with and without microwave incidence. Both synthesis routes allowed obtaining powders with similar yields, and sulfate functionalization was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). This technique also provided evidence that the washing steps were not able to eliminate all the organic residue adsorbed on ZrO2. Scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) results indicated that the material was highly agglomerated, but that there were particles smaller than a few micrometers. After analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), there was a strong indication of the formation of the desired material, as well as the presence of iron(III) as a dopant and the presence of carbon and chlorine in the material, coming from the synthesis route. X-ray diffractometry (XRD) showed that the samples synthesized on the heating plate crystallized in the tetragonal structure with an average crystallite size varying between 2 and 7 nm, while with microwave incidence there was an amorphous structure. The ideal calcination parameters were determined with the XRD technique, noting that calcination for 30 minutes at 500 ºC was enough for crystallization in the tetragonal phase, doubling the crystallite size of some samples, varying between 7 and 16 nm, in addition to eliminating the adsorbed residues. The nanoparticles were applied in the catalysis of the esterification between oleic acid and methanol or ethanol at 60 ºC. The conversion rates were determined through the elaboration of calibration curves and the deconvolution of carbonyl peaks in the infrared spectra of the reaction products. Catalytic activity was noted for practically all pure, functionalized and doped samples, with iron(III) doped samples having the best performance, such as ZrO2/Fe3+ sample produced with the heating plate, with 86.3% conversion. |
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