Hierarchical y zeolite green synthesis using rhamnolipid and sophorolipid biosurfactants as structure directing agents

Abstract

A utilização de biossurfactantes como agentes direcionadores de estrutura no processo de síntese representa um avanço significativo em direção à química verde na síntese de materiais porosos. Os biossurfactantes possuem estruturas únicas de autoagregação que podem induzir formas e organizações de poros nos materiais sintetizados. No entanto, a natureza aniônica/não-iônica dos biossurfactantes dificulta sua aplicação nesse campo. Entre os biossurfactantes comercialmente disponíveis, os ramnolipídios e soforolipídios têm recebido considerável atenção, tornando-se uma alternativa promissora aos surfactantes sintéticos utilizados atualmente. A aplicação de biossurfactantes como indutores de mesoporos foi demonstrada por meio da síntese sol-gel por via ácida, resultando em materiais que exibem isotermas do tipo I e curvas de histerese H4, indicativas da formação de mesoporos. A análise de FT-IR confirmou a presença de ligações eletrostáticas e covalentes entre biossurfactantes e moléculas de (3-Aminopropil)trietoxisilano (APTES), levando à formação dos compostos APTES-ramnolipídio e APTES-soforolipídio. Na síntese da zeólita Y com hierarquia de poros, inicialmente, a fase microporosa foi obtida e confirmada por meio da análise de difração de raios X. Posteriormente, a adição de biossurfactantes e dos compostos biossurfactantes-APTES no processo de síntese induziu a formação de mesoporos, o que não impactou significativamente a cristalinidade dos materiais. A influência dos biossurfactantes pôde ser observada no tamanho de partículas e poros, sendo o APTES fator crucial na redução do tamanho de partícula. A introdução de mesoporos foi confirmada por meio de análise de adsorção e dessorção de N2, sendo observada a formação de histereses e comprovada pela distribuição de tamanho de poros. As áreas de superfície dos materiais hierárquicos sintetizados foram afetadas pela concentração de mesoporos, exibindo uma diminuição conforme a concentração de mesoporos aumenta. Além disso, a adição de APTES aos biossurfactantes promoveu uma maior concentração de mesoporos na faixa de 3,0 nm a 5,5 nm, enquanto os biossurfactantes puros resultaram em mesoporos mais estreitos, na faixa de 2,0 nm a 3,0 nm. Portanto, o uso de ramnolipídios e soforolipídios como agentes direcionadores de estrutura na síntese da zeólita Y com estrutura hierárquica de poros mostrou-se bem-sucedida. Essa abordagem oferece uma alternativa verde às rotas de síntese convencionais, abrindo novas possibilidades para a aplicação de biossurfactantes no campo de materiais porosos.

Abstract: The utilization of biosurfactants as Structure Directing Agents (SDAs) in the synthesis process represents a significant advancement toward green chemistry in porous materials. Biosurfactants possess unique self-aggregation structures that can induce diverse porous shapes and organizations in synthesized materials. However, the biosurfactants anionic/nonionic nature hinders their application in this field. Among commercially available glycolipid biosurfactants, rhamnolipids and sophorolipids have gained considerable attention, becoming a promising alternative to synthetic surfactants in porous materials synthesis. The application of biosurfactants as mesopore inducers has been demonstrated through acid sol-gel synthesis, resulting in materials exhibiting type I isotherms and H4 hysteresis loops, indicative of mesopore formation. Fourier transform infrared (FT-IR) analysis confirmed the presence of electrostatic and covalent bonds between biosurfactants (rhamnolipids and sophorolipids) and (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) molecules, leading to the formation of APTES-rhamnolipid and APTES-sophorolipid compounds. In the synthesis of hierarchical Y zeolite materials, initially the microporous phase was obtained and verified through XRD analysis. Subsequently, the addition of biosurfactants and biosurfactants-APTES compounds in the synthesis process induced mesopore formation, which did not significantly impact the crystallinity of the materials. The biosurfactants influence could be observed on particle and pore sizes, with the incorporation of APTES playing a crucial role in reducing the material particle size. The introduction of mesopores was confirmed through N2 adsorption and desorption analysis, by hysteresis loop formation, and pore size distribution. The specific surface areas of the synthesized hierarchical materials were affected by the mesopore concentration, exhibiting a decrease with higher mesopore concentrations. Furthermore, the addition of APTES to biosurfactants promoted a higher concentration of mesopores in the range of 3.0 to 5.5 nm, while pure biosurfactants resulted in narrower mesopores in the range of 2.0 to 3.0 nm. In conclusion, the use of rhamnolipids and sophorolipids as structure-directing agents in the synthesis of hierarchical Y zeolite has proven successful in inducing mesopore formation. This approach offers a green alternative to conventional synthesis routes, opening new possibilities for the application of biosurfactants in the field of porous materials.