Control over metal species location and stability in zeolites for the development of sustainable catalysts

• Thesis title in Czech: Kontrola umístění a stability kovů v zeolitech pro vývoj udržitelných katalyzátorů.
• Thesis title in English: Control over metal species location and stability in zeolites for the development of sustainable catalysts
• Key words: Zeolity, syntéza, katalýza, kovová centra, funkční materiály
• English key words: Zeolites, synthesis, catalysis, metal sites, functional materials
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Supervisor: Michal Mazur, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 08.10.2024
• Date of assignment: 09.10.2024
• Advisors: doc. Maksym Opanasenko, CSc.

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. A. Li, Y. Zhang, C.J. Heard, K. Gołąbek, X. Ju, J. Čejka, M. Mazur, Encapsulating Metal Nanoparticles into a Layered Zeolite Precursor with Surface Silanol Nests Enhances Sintering Resistance, Angew. Chemie Int. Ed. 2023, 62, e202213361
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
10. Mazur, M., Přech, J. and Čejka, J. (2019). Zeolites and Other Micro‐ and Mesoporous Molecular Sieves. InKirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, Inc (Ed.). doi:10.1002/0471238961.zeolcejk.a01.pub2
11. Daniel N. Rainer, Michal Mazur, Electron microscopy methods for characterisation of zeolite catalysts, Catalysis, 2020, 32, 151–187, DOI: 10.1039/9781788019477-00151

Preliminary scope of work

Cílem této dizertační práce je syntetizovat funkční materiály založené na stabilizaci kovových nanočástic, klastrů a jednotlivých atomů v zeolitových strukturách s cílem naladit jejich katalytickou aktivitu. Projekt se zaměří na návrh a syntézu zeolitových nosičů pomocí metod, jako je hydrotermální syntéza různých elementosilikátů a následné úpravy, včetně dealuminace a degermanace. Budou také využity vrstvnaté zeolity, například prekurzory IPC-1P syntetizované metodou ADOR.
Funkcionalizace zeolitových nosičů bude zahrnovat imobilizaci mono- a bimetalických nanočástic (např. Pt, Pd, Rh) a také subnanometrických kovových klastrů a jednotlivých atomů. Klíčovým cílem bude kontrola stabilizace a distribuce těchto kovových druhů uvnitř zeolitových pórů za účelem optimalizace jejich katalytického výkonu. Bude provedena komplexní charakterizace připravených materiálů, aby se prozkoumaly interakce mezi kovy a nosiči, umístění, velikost a stabilita stabilizovaných druhů. Mezi analytické techniky bude patřit PXRD pro strukturní analýzu, SEM pro hodnocení morfologie krystalů a sorpční metody pro analýzu textury. Elektronová mikroskopie, zejména in-situ zahřívání ve STEM, bude použita k posouzení stability kovových druhů při zvýšených teplotách.
Katalytické testy se zaměří na hydrogenační reakce, například s modelovými sloučeninami, jako jsou nitroareny, aby se vyhodnotil výkon syntetizovaných katalyzátorů. Cílem je vytvořit spojení mezi strukturními vlastnostmi zeolitu a stabilitou stabilizovaných kovových nanočástic, klastrů a jednotlivých atomů, zejména za vysokoteplotních podmínek. Konečným cílem výzkumu je vyvinout účinné, tepelně stabilní a udržitelné katalyzátory se zvláštním důrazem na náročnou oblast subnanometrických klastrů a katalyzátorů na bázi jednotlivých atomů.
Očekávané výsledky této práce zahrnují hlubší pochopení toho, jak zeolitové nosiče ovlivňují chování a stabilitu kovových aktivních center, což přispěje k návrhu pokročilejších katalyzátorů pro průmyslové aplikace.

Preliminary scope of work in English

The goal of this PhD thesis is to synthesize functional materials by encapsulating metal nanoparticles, clusters, and single atoms into zeolite frameworks to tune their catalytic activity. The project will focus on the design and synthesis of zeolite supports, using methods such as hydrothermal synthesis of various elementosilicates and post-synthesis modifications, including dealumination and degermanation. Layered zeolites, such as IPC-1P precursors synthesized via the ADOR approach, will also be utilized.
The functionalization of the zeolite supports will involve immobilization of mono- and bimetallic nanoparticles (e.g., Pt, Pd, Rh), as well as subnanometric metal clusters and single atoms. A key objective will be to control the encapsulation and dispersion of these metal species within the zeolite pores to optimize their catalytic performance. Comprehensive characterization of the prepared materials will be undertaken to investigate the metal-support interactions, location, size, and stability of the encapsulated species. Analytical techniques will include PXRD for structural analysis, SEM for crystal morphology, and sorption methods for texture analysis. Electron microscopy, particularly in-situ heating in the STEM, will be employed to assess the stability of the metal species at elevated temperatures.
Catalytic testing will focus on hydrogenation reactions, with model compounds such as nitroarenes, to evaluate the performance of the synthesized catalysts. The aim is to establish a link between the zeolite’s structural properties and the stability of the encapsulated metal nanoparticles, clusters, and single atoms, particularly under high-temperature conditions. Ultimately, the research seeks to develop efficient, thermally stable, and sustainable catalysts, with a particular emphasis on the challenging area of subnanometric clusters and single-atom catalysts.
The expected outcomes of this work include a deeper understanding of how zeolite supports influence the behavior and stability of metal active sites, contributing to the design of more advanced catalysts for industrial applications.