The influence of Al content in zeolites on the stability of supported metal nanoparticles

• Thesis title in Czech: Vliv obsahu hliníku v zeolitech na stabilitu ukotvených kovových nanočástic
• Thesis title in English: The influence of Al content in zeolites on the stability of supported metal nanoparticles
• Key words: Zeolity; elektronová mikroskopie; kovové nanočástice; DFT metody; in-situ zahřívání STEM mikroskopie
• English key words: Zeolites; electron microscopy; metal nanoparticles; DFT methods; in-situ heating STEM microscopy
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: diploma thesis
• 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: 25.10.2023
• Date of assignment: 12.02.2024
• Confirmed by Study dept. on: 13.02.2024
• Advisors: Christopher James Heard, Ph.D.

Guidelines

Transmission electron microscopy methods for materials science - MC260P151
Zeolity a molekulová síta - MC260P90
Scientific Writing - MC280P85
Scientific Oral Presentations - MC280P84

References

Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1991
Catalysis - An Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis, Elsevier, Amsterdam 2000.
Physical Chemistry – Peter Atkins et al., Oxford Universty Press 2017.
Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Authors: Williams, David B. and Carter, C. Barry. https://www.springer.com/gp/book/9780387765006
Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation; Authors: Reimer, Ludwig, Kohl, Helmut. http://www.springer.com/us/book/9780387400938
Y. Wang et al., Zeolite Fixed Metal Nanoparticles: New Perspective in Catalysis, Acc. Chem. Res. (2021), 54, 11, 2579–2590.
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

Kovové nanočástice jsou efektivními katalyzátory pro hydrogenační reakce, především díky své vysoké aktivitě a vysokému poměru povrchu k jejich hmotnosti. Nicméně tyto nanočástice jsou náchylné k sintrování, což znamená růst částic při vysokých teplotách. Využití zeolitů jako nosičů je účinným řešením díky jejich stabilitě a porozitě. Ukotvení nanočástic v pórech zeolitu vede k jejich stabilizaci. Navíc začlenění hliníku do mřížky zeolitu vytváří aktivní kyselá centra. To dělá hlinítkřemičité zeolity klíčovými heterogenními katalyzátory v kyselými katalyzovaných reakcích. Přítomnost hliníku a podpůrných kovových nanočástic v zeolitech může poskytnout bifunkcionalitu konečného katalyzátoru. Nakonec vzájemné interakce mezi těmito částicemi mohou ovlivnit vlastnosti materiálů.
Hlavním cílem této diplomové práce je zkoumat vliv obsahu hliníku v mřížce zeolitu na stabilitu ukotvených platinových a palladiových nanočástic. Kovy budou začleněny impregnací komerčně dostupných i syntetizovaných zeolitů MFI. Struktura syntetizovaných zeolitů bude určena pomocí PXRD. Chemické složení vzorků bude zkoumáno pomocí ICP-MS a STEM-EDS. Morfologie krystalů bude studována pomocí SEM. K charakterizaci texturálních vlastností syntetizovaných vzorků bude použita adsorpce dusíku. Velikost a umístění kovových nanočástic bude analyzována pomocí STEM obrazování. Teplotní stabilita kovových nanočástic bude popsána na základě in-situ zahřívání a obrazování pomocí STEM mikroskopu. Kromě toho budou využity teoretické výpočty založené na teorii funkcionálu hustoty (DFT) k určení energií enkapsulace pro klastry kovů různých velikostí a zeolity s různým obsahem hliníku. Celkově budou výsledky spojovat obsah hliníku v zeolitu MFI s tepelnou stabilitou ukotvených kovových nanočástic, tj. Pt, Pd.

Preliminary scope of work in English

Metal nanoparticles serve as efficient hydrogenation catalysts primarily due to their high activity and remarkable surface-to-mass ratio. Nevertheless, these nanoparticles are susceptible to sintering, leading to particle growth at high temperatures. Utilizing zeolites as supports is an effective solution owing to their stability and porosity. Encapsulation of nanoparticles in zeolite pores leads to the stabilization of metal active species. Moreover, the incorporation of aluminum within the zeolite framework generates active acid sites, making aluminosilicate zeolites crucial in acid-catalyzed reactions. The presence of aluminum and supported metal nanoparticles in zeolites can provide bi-functionality to the final catalyst. Finally, the mutual interactions between these species can influence the properties of the materials.
The main aim of this Master's thesis is to investigate the influence of aluminum content in the zeolite framework on the stability of supported platinum and palladium nanoparticles. Metals will be incorporated by impregnation of commercially available, as well as synthesized MFI zeolites. The structure of the synthesized zeolites will be determined using PXRD. The chemical composition of the samples will be investigated using ICP-MS and STEM-EDS. The morphology of the crystals will be studied by SEM. Nitrogen adsorption will be used to characterize the textural properties of the synthesized samples. The size and location of the metal nanoparticles will be revealed using STEM imaging. Thermal stability of metal species will be described based on in-situ heating and imaging using a STEM microscope. Furthermore, density functional theory (DFT) calculations will be employed to provide the encapsulation energies for metal clusters of various sizes and zeolites with different aluminum content. Overall, the results will link the aluminum content in the MFI zeolite supports with the thermal stability of anchored metal nanoparticles, i.e., Pt, Pd.