Incorporación de vanadio y grupos -PrSO3H al material KIT-6 y su efecto en la esterificación de ácido levulínico con butanol

Abstract

In the present project, the synthesis of KIT-6 materials modified with -PrSO3H and vanadium groups is reported using the one-step sol-gel method, with molar ratios of Si/V=60 and 30, and Si/S=20. The physicochemical properties of the materials and their performance as catalysts in the esterification of levulinic acid with butanol were studied. The incorporation of vanadium is of interest because it can generate different types of acidic sites in the KIT-6 material, while the incorporation of -PrSO3H groups promotes both acidity and hydrophobicity in the material. The acidic properties conferred on this type of catalysts are relevant to carry out the esterification of levulinic acid with n-butanol. It was found that the maturation temperature (120 and 100° C) and the molar concentration of HCl (0.85 and 0.48 M) used in the synthesis significantly influenced the structural arrangement, morphology, textural and acid properties of the KIT material. 6. With a maturation temperature of 100° C and a molar concentration of HCl of 0.48 M, the formation of materials with the typical physicochemical properties of KIT-6 was favored. The incorporation of vanadium to the KIT-6 material improved its acidic properties, due to the formation of Lewis and Brønsted acid sites, associated with the tetrahedrally coordinated V5+ vanadium species found on the surface of the KIT material. -6. The simultaneous incorporation of vanadium and -PrSO3H groups to the KIT-6 material also causes changes in its structural and morphological properties and at the same time gives rise to catalysts with predominant Brønsted acidity, improving its hydrophobicity and thus favoring the conversion of levulinic acid towards butyl levulinate. A reversible second-order heterogeneous kinetic model was developed, which appropriately represents the behavior of the esterification reaction of levulinic acid with n-butane on the catalysts V(60)-KIT-6-PrSO3H(20) and V(30)- KIT-6-PrSO3H(20).

En el presente proyecto se reporta la síntesis de materiales KIT-6 modificados con grupos -PrSO3H y vanadio utilizando el método sol-gel de un solo paso, con relaciones molares de Si/V=60 y 30, y Si/S=20. Se estudiaron las propiedades fisicoquímicas de los materiales y su desempeño como catalizadores en la esterificación de ácido levulínico con butanol. La incorporación de vanadio es de interés debido a que puede generar diferentes tipos de sitios ácidos en el material KIT-6, mientras que la incorporación de grupos -PrSO3H promueve tanto la acidez como la hidrofobicidad en el material. Las propiedades acidas conferidas a este tipo de catalizadores son relevantes para llevar a cabo la esterificación de ácido levulínico con n-butanol. Se encontró que la temperatura de madurado (120 y 100° C) y la concentración molar de HCl (0.85 y 0.48 M) utilizadas en la síntesis, influyeron de forma importante sobre el arreglo estructural, morfología, propiedades texturales y ácidas del material KIT-6. Con una temperatura de madurado de 100° C y una concentración molar de HCl de 0.48 M, se favoreció la formación de materiales con las propiedades fisicoquímicas típicas del KIT-6. La incorporación de vanadio al material KIT-6 mejoró sus propiedades ácidas, debido a la formación de sitios ácidos de Lewis y Brønsted, asociados con las especies de vanadio en forma de V5+, coordinadas de forma tetraédrica que se encuentran en la superficie del material KIT-6. La incorporación simultánea de vanadio y grupos -PrSO3H al material KIT-6 también origina cambios en sus propiedades estructurales y morfológicas y al mismo tiempo da lugar a catalizadores con acidez predominante de tipo Brønsted, mejorando su hidrofobicidad y favoreciendo así la conversión de ácido levulínico hacia levulinato de butilo. Se desarrolló un modelo cinético heterogéneo de segundo orden reversible, que representa apropiadamente el comportamiento de la reacción de esterificación de ácido levulínico con n-butano sobre los catalizadores V(60)-KIT-6-PrSO3H(20) y V(30)-KIT-6-PrSO3H(20).