Green Aromatics: Catalytic Valorisation of bio-derived 2,5-dimethylfuran over Zeolites and Zeotypes
Doctoral thesis, 2022

This thesis discusses the use of biomass as a potentially green feedstock for the chemical industry in the urgent shift away from fossil resources. I elaborate on reasons why we cannot afford to burn virgin biomass for energy production, among them a variety of ecosystem services that forests and other lands provide. In addition, the utilisation of biomass should be focused on products that sequester and lock away carbon for more extended periods, e.g. timber, materials and chemicals. In particular, biomass can be used as an alternative "carbon neutral" feedstock for the chemical industry, where we can preserve the already existing chemical complexity in the bio-based molecules. One example is the upgrading of furans to benzene, toluene and xylene (BTX) aromatics with the help of zeolite catalysis. These aromatics are important commodity chemicals, where the shift to a bio-based resource could make use of already existing knowledge, catalyst and production infrastructure. However, research is necessary to understand these new feedstock molecules and their interaction with the catalysts and to enable the design of applicable catalysts.

In order to study the interaction of the furans, in particular 2,5-dimethylfuran (2,5-dmf), I describe and discuss the development of an analytical methodology that utilises infrared spectroscopy and mass spectrometry for the on-line identification and quantification of product molecules during catalytic reactions.

This on-line analysis method is then applied to the catalytic conversion of 2,5-dmf to aromatics over a range of zeolite and zeotype catalysts. In-depth studies with ammonia as a probe molecule of the catalytic active acid sites, as well as temperature programmed experiments with ammonia and 2,5-dmf give insights into product distribution, selectivity changes and deactivation of the catalyst. For example, olefins and aromatics are initially preferred products, while with increasing time on stream, the isomerisation of 2,5-dmf becomes dominant. The incorporation of Ga into the zeotype framework, resulting in a Ga-Silicate, shows how targeted catalyst design can increase overall aromatics production. This catalyst is also suitable for selective isomerisation of 2,5-dmf to 2,4-dimethylfuran, which has a rare substitution pattern. Finally, itwas found that the most valuable of BTX, p-xylene, can be produced more selectively when 2,5-dmf is pre-adsorbed onto zeolite ZSM-5 and then released during a temperature programmed product desorption.

Biomass conversion

infrared spectroscopy

BTX Aromatics

2,5-dimethylfuran

Zeolite

Catalysis

Online Analysis

Zeotype

HC4, Hörsalsvägen 14, Göteborg
Opponent: Prof. Salvador Ordóñez García, Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, University of Oviedo, Spain

Author

Christopher Sauer

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry

Valorisation of 2,5-dimethylfuran over zeolite catalysts studied by on-line FTIR-MS gas phase analysis

Catalysis Science and Technology,;Vol. 12(2022)p. 750-761

Journal article

C. Sauer, P. Mestre Tosas, A. Schaefer and P.-A. Carlsson, Temperature programmed experiments reveal catalyst deactivation and high p-xylene selectivity from 2,5-dimethylfuran over ZSM-5 zeolites

Biomassa, t.ex. trä, kan användas för att framställa kemikalier från en förnybar och potentiellt hållbar resurs. Ur hållbarhetssynpunkt är det bättre att utnyttja biomassans komplexa molekyler än att bränna den för bränsle- och energiändamål. Här kommer jag att fokusera på furanmolekyler som härrör från biomassa och hur dessa kan omvandlas till aromater, som är viktiga byggstenar inom den kemiska industrin. För att omvandla furaner till de önskade kemikalierna kan vi använda en katalysator, ett material som möjliggör och påskyndar kemiska reaktioner och därmed gör omvandlingen effektivare. För att utveckla effektiva katalysatorer måste vi ha bra förståelse för de kemiska reaktionerna. För detta ändamål har jag utvecklat en analysmetod som använder infraröd spektroskopi och masspektrometri, verktyg som bygger på växelverkan mellan ljus och materia. Jag använder den här metoden för att övervaka alla molekyler och förbättra vår förståelse för interaktionen mellan de biologiskt framställda molekylerna och katalysatorn. Denna förståelse gör det möjligt för oss att utveckla bättre katalysatorer. Om vi till exempel använder gallium i katalysatorerna förlänger vi livslängden på katalysatorn och producerar fler aromater. Genom att justera reaktionsförloppet kan den mest önskade produkten, p-xylen, framställas. Vi kan också välja att göra andra molekyler som annars är svåra att få tillgång till. Sammantaget visar denna avhandling på den analytiska metodens potential för att utveckla förbättrade katalysatorer, som producerar de önskade molekylerna. Detta arbete belyser utnyttjandet av biomassa för framtida produktion av hållbara kemikalier.

Green aromatics for a biobased economy

Formas (2017-00420), 2018-01-01 -- 2020-12-31.

Subject Categories

Inorganic Chemistry

Physical Chemistry

Analytical Chemistry

Chemical Process Engineering

Materials Chemistry

Chemical Sciences

Organic Chemistry

Driving Forces

Sustainable development

Roots

Basic sciences

Infrastructure

Chalmers Materials Analysis Laboratory

Areas of Advance

Materials Science

ISBN

978-91-7905-746-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5212

Publisher

Chalmers

HC4, Hörsalsvägen 14, Göteborg

Opponent: Prof. Salvador Ordóñez García, Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, University of Oviedo, Spain

More information

Latest update

11/13/2023