Stabilization of metal nanoparticles on the zeolite supports and their characterization by in-situ electron microscopy methods

• Thesis title in Czech: Stabilizace kovových nanočástic na zeolitových nosičích a jejich charakterizace metodami in-situ elektronové mikroskopie
• Thesis title in English: Stabilization of metal nanoparticles on the zeolite supports and their characterization by in-situ electron microscopy methods
• Key words: zeolity, kovové nanočástice, syntéza, in-situ elektronová mikroskopie, heterogenní katalýza
• English key words: zeolites, metal nanoparticles, synthesis, in-situ electron microscopy, heterogeneous catalysis
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Supervisor: Michal Mazur, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 11.10.2023
• Date of assignment: 11.10.2023
• Confirmed by Study dept. on: 11.10.2023
• Advisors: Ing. Jan Přech, Ph.D.

Guidelines

Fundamental of Catalysis, Zeolites and Molecular Sieves, Physical Chemistry for International Students I, Physical Chemistry for International Students II, Transmission electron microscopy methods for materials science, Scientific Oral Presentations, Scientific Writing

References

1. Physical Chemistry – Peter Atkins et al., Oxford Universty Press 2017.
2. Wieslaw J. Roth, Petr Nachtigall, Russell E. Morriss, Paul S. Wheatley, Valerie Seymour, Sharon E. Ashbrook, Pavla Chlubná, Lukáš Grajciar, Miroslav Položij, Zrnošt Zukal, Oleksiy Shvets, Jiří Čejka, "A family of complex zeolites with controlled pore size prepared through a 'top down'method", Nature Chemistry, 5 (2013) 628.
3. Pavla Eliášová, Maksym Opanasenko, Paul Wheatley, Mariya Shamzhy, Michal Mazur, Petr Nachtigall, Wieslaw J. Roth, Russell E. Morris, Jiří Čejka, “The ADOR mechanism for the synthesis of new zeolites”, Chemistry Society Reviews, 44 (2015) 7177.
4. M. Mazur, P. S. Wheatley, M. Navarro, W. R. Roth, M. Polozij, A. Mayoral, P. Eliasova, P. Nachtigall, J. Cejka, R. E. Morris, “Synthesis of ‘unfeasible’zeolites”, Nature Chemistry, 8 (2016) 58-62.
5. S. Sethupathy et al., Lignin valorization: Status, challenges and opportunities, Bioresource Technology, Volume 347,(2022), 126696.
6. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Authors: Williams, David B. and Carter, C. Barry. https://www.springer.com/gp/book/9780387765006
7. Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation; Authors: Reimer, Ludwig, Kohl, Helmut. http://www.springer.com/us/book/9780387400938
8. Y. Wang et al., Zeolite Fixed Metal Nanoparticles: New Perspective in Catalysis, Acc. Chem. Res. (2021), 54, 11, 2579–2590.
9. C.S. Cundy, P.A. Cox, The hydrothermal synthesis of zeolites: Precursors, intermediates and reaction mechanism, Microporous and Mesoporous Materials 82, 1, (2005), 1-78

Preliminary scope of work

Cílem práce je syntetizovat a funkcionalizovat různé zeolitové nosiče kovovými nanočásticemi. Připravené materiály budou důkladně charakterizovány se zaměřením na interakci kov-nosič a stabilitu nanočástic. Syntéza zeolitových nosičů bude založena na přímé hydrotermální syntéze a také na postsyntetických modifikacích připravených zeolitů, jako je např. dealuminace. Materiály budou funkcionalizovány imobilizací mono- a bimetalických nanočástic vzácných kovů, zejména Pt, Pd, Rh atd. Struktura připravených katalyzátorů bude zkoumána metodou PXRD. Morfologie krystalů bude posouzena pomocí SEM zobrazování. Textura vzorků bude analyzována sorpčními metodami. Lokalizace, velikost a stabilita imobilizovaných nanočástic bude zkoumána metodami elektronové mikroskopie se zaměřením na in-situ tepelný výzkum v mikroskopu STEM. Dále budou připravené materiály testovány jako katalyzátory, např. jako katalyzátory přepracování lignin na užitečné chemikálie. Katalytické testy budou provedeny na modelových sloučeninách, jako je eugenol.
Hlavním cílem disertační práce je nalézt spojitosti mezi interakcemi kov-zeolit a stabilitou imobilizovaných nanočástic, zejména při vysokých teplotách. Poznatky získané z tohoto výzkumu umožní optimalizaci postupů materiálové syntézy směrem k účinnějším a tepelně stabilnějším katalyzátorům. Celkovým plánovaným výsledkem práce je hluboké pochopení vztahu mezi vlastnostmi nosiče a aktivními kovovými místy, které řeší náročnou katalytickou otázku návrhu a přípravy udržitelnějších katalyzátorů.

Preliminary scope of work in English

The goal of the thesis is to synthesize and functionalize various zeolite supports with metal nanoparticles. Materials will be thoroughly characterized, focusing on the metal-support interactions and stability of nanoparticles. Synthesis of zeolite supports is based on hydrothermal synthesis of various elementosilicates, as well as post-synthesis modifications, such as dealumination procedure. Materials will be functionalized by immobilization of mono- and bimetallic nanoparticles, namely Pt, Pd, Rh etc. Structure of prepared catalysts will be investigated by PXRD method. Morphology of crystals will be assesed with SEM imaging. Texture of the samples will be analyzed by sorption methods. The location, size, and stability of the immobilized nanoparticles will be performed by electron microscopy methods, with the focus on in-situ heating investigation in STEM microscope. Furthermore, prepared materials will be tested as catalysts, e.g. as the lignin valorization catalysts. The catalytic tests will be performed on model compounds, such as eugenol.
The main aim of the dissertation is to link the metal-zeolte interactions with the stability of immobilized nanoparticles, mainly at high temperatures. The insights gained from this research will allow the optimization of synthesis procedures towards more efficient and thermally stable catalysts. Overal planned outcome of the thesis is the deep understanding of the relation between support properties and metal active sites which tackles the challenging catalytic issue of design and preparation of more sustainable catalysts.