Theoretical study of framework stability and catalysis in zeolites

Abstract

High-silica zeolites are widely utilized in catalysis due to their thermal stability, acidity, and high surface area. However, their structural stability can be compromised under hydrother- mal conditions, such as exposure to steam or liquid water, leading to framework degradation. The degradation process is influenced by several factors, including the presence of framework defects, water loading, and the introduction of bases like NaOH. Zeolites contain acidic active sites, primarily Brønsted and Lewis acid sites, which are essential for their catalytic activity. Brønsted acid sites, associated with framework aluminium, act as proton donors, while Lewis acid sites, linked to extra-framework aluminium or other cationic species, function as electron pair acceptors. These acid sites are responsible for catalysing various reactions, such as crack- ing, isomerization, and alkylation, by providing the acidic environment necessary for reaction intermediates. This dissertation employs theoretical calculations to investigate the framework stability of high-silica zeolites and the catalytic roles of acidic and defective sites. The research addresses three main sections: i) Role of defects and oxygen exchange healing in hydrolysis: High-silica zeolites are stable under standard laboratory and mild steaming...

Zeolity s vysokým obsahem křemíku jsou široce využívány v katalýze díky své tepel- né stabilitě, kyselosti a vysokému specifickému povrchu. Nicméně jejich struktura může degradovat za hydrotermálních podmínek, t.j., za vysokých teplot v přítomnosti vodní páry nebo tekuté vody. Proces degradace je ovlivněn několika faktory, jakými jsou přítomnost de- fektů, množství vody a přítomnost bází, jako je NaOH. Zeolity obsahují kyselá aktivní místa, především Brønstedova a Lewisova kyselá místa, která jsou klíčová pro jejich katalytickou ak- tivitu. Brønstedova kyselá místa, spojená s přítomností hliníku v mřížce, fungují jako donory protonů, zatímco Lewisova kyselá místa, spojená s přítomností mimomřížkového hliníku nebo přítomností jiných kationtů, slouží jako akceptory elektronových párů. Tato kyselá místa jsou zásadní pro katalýzu různých reakcí, jako je krakování, izomerizace a alkylace uhlovodíků, tím, že poskytují kyselé prostředí nezbytné pro reakční meziprodukty. Tato disertační práce využívá teoretické výpočty ke zkoumání stability zeolitů s vysokým obsahem křemíku a role kyselých aktivných míst a defektů na jejich katalyckou aktivitu. Výzkum se zaměřuje na tři hlavní oblasti: i) Role defektů a jejich odstraňování pomocí výměny kyslíku při hydrolýze: Vysoce si-...