Chemical activation of mesoporous carbon replicas resulting in formation of surface oxygen-containing sites

W niniejszej pracy przeprowadzono optymalizację nowej metody syntezy repliki węglowej typu CMK-3. W pierwszym jej etapie otrzymano twardy templat krzemionkowy typu SBA-15, którego pory wypełniono następnie prekursorem węglowym stosując reakcję polikondensacji strąceniowej alkoholu furfurylowego w środowisku wodnym. Uzyskany kompozyt polimerowo-krzemionkowy poddano karbonizacji w celu przekształcenia części organicznej w postać czysto węglową. Ostatnim etapem syntezy było wymycie templatu za pomocą kwasu fluorowodorowego. Przygotowano materiały oparte na różnych stosunkach masowych poli(alkoholu furfurylowego) do SBA-15. Uzyskane preparaty scharakteryzowano przy użyciu metod BET, XRD, TG, XPS oraz TEM, a następnie przebadano w roli katalizatorów w reakcji utleniającego odwodornienia etylobenzenu do styrenu stosując różne ilości czynnika utleniającego. Zebrane wyniki pokazały, że tlen obecny w środowisku reakcyjnym aktywuje powierzchnię węgla tworząc grupy karbonylowe i hydroksylowe uważane za centra aktywne procesu. Optymalne właściwości wykazywała próbka otrzymana na bazie preparatu o zakładanym stosunku masowym PFA/SBA-15 równym 2,00. Odpowiednim stężeniem czynnika utleniającego okazał się stosunek O2:etylobenzen równy 9:1, dla którego zarejestrowano największą wartość stopnia konwersji etylobenzenu przy wysokiej wydajności styrenu.

In the presented work a novel method of the synthesis of CMK-3 type carbon replica was optimized. In the first step, hard silica template, namely SBA-15, was obtained. The pore system of mesoporous silica was filled out by a carbon precursor using precipitation polycondensation of poly(furfuryl alcohol) in water. After carbonization of the obtained polymer-silica composite, the hard template was removed by dissolving in hydrofluoric acid solution. The carbon replicas based on various mass ratio between poly(furfuryl alcohol) and SBA-15 were synthesized. The prepared materials were characterized by different methods (BET, XRD, TG, XPS and TEM) and subsequently tested in a role of catalysts in the process of oxidative dehydrogenation of ethylbenzene to styrene using various contents of oxidizing agent in the feed. The collected results showed that oxygen present in the reaction system activates the surface of carbon catalyst promoting the formation of oxygen-containing functional groups (carbonyl and hydroxyl) considered to be real active sites. The optimal catalytic performance was achieved for the carbon replica synthesized using the mass ratio of PFA/SBA-15 = 2.00. The highest conversion of ethylbenzene and yield of styrene was observed over this catalyst at the molar ratio of O2/ethylbenzene of 9:1.