Development of 3D-printed metallic and bimetallic catalysts supported on geopolymers

Abstract

A catalisa heterogênea baseada em metais de transição oferece notáveis oportunidades na química. Além da facilidade de recuperação, reciclabilidade e redução de resíduos metálicos, os suportes sólidos proporcionam a vantagem adicional de acomodar múltiplos metais. O avanço de sistemas catalíticos com propriedades ativas, seletivas e mecanicamente estáveis, incorporando metais de baixa toxicidade e custo acessível, como cobre e níquel, em substratos sólidos, apresenta promissoras aplicações em catálise. Os geopolímeros, compostos por sílica e alumina, são suportes de catalisadores ecologicamente corretos. Eles curam à temperatura ambiente, possuem uma área superficial elevada, porosidade inerente e estabilidade robusta. O uso da tecnologia de impressão tridimensional (3D) possibilita a deposição precisa de materiais catalíticos, abrindo novas oportunidades para o design e otimização de desempenho de catalisadores. Neste contexto, o estudo apresentou catalisadores suportados em material geopolimérico fabricado por impressão 3D. Nitrato de níquel (Ni(NO3)2) e nitrato de cobre (Cu(NO3)2) foram empregados como precursores metálicos para a síntese dos catalisadores. Essa abordagem facilitou a distribuição uniforme das espécies metálicas dentro da matriz geopolimérica. A caracterização abrangente dos catalisadores foi realizada por meio de diversas técnicas analíticas. Difração de raios X (XRD), fluorescência de raios X (XRF), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDX), redução termoprogramada (TPR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), microscopia eletrônica de varredura (SEM) foram conduzidas para visualizar a morfologia e microestrutura dos catalisadores impressos. Os catalisadores serão testados em diferentes reações orgânicas, como condensação de Knoevenagel, síntese de diazóis, cicloadição e reações click, e analisados por Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Os resultados indicam que os catalisadores sintetizados apresentam área superficial elevada, porosidade substancial e atributos térmicos e morfológicos propícios para aplicações versáteis em diversos processos catalíticos, especialmente na química orgânica.

Abstract: Transition metal-based heterogeneous catalysis offers notable opportunities in chemistry. Besides ease of workup, recyclability, and reduced metallic waste, solid supports offer the added advantage of accommodating multiple metals. Advancing catalytic systems with active, selective, and mechanically stable properties, incorporating low-toxicity, cost-effective metals, like copper and nickel onto solid substrates, holds promise in catalysis. Geopolymers, comprising silica and alumina, are eco-friendly catalyst supports. They cure at room temperature, possess a high surface area, inherent porosity, and robust stability. The use of three dimensional (3D) printing technology enables the precise deposition of catalyst materials and offers new opportunities for catalyst design and performance optimization. In this context, the study presented catalysts supported on geopolymer material made from 3D printing. Nickel nitrate (Ni(NO3)2) and copper nitrate (Cu(NO3)2) were employed as metal precursors for the synthesis of the catalysts. This approach facilitated the uniform distribution of the metal species within the geopolymer matrix. Comprehensive characterization of the catalysts was performed using various analytical techniques. Xray diffraction (XRD), X-ray fluorescent (XRF), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), thermoprogrammed reduction (TPR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), scanning electron microscopy (SEM), examination was conducted to visualize the morphology and microstructure of the printed catalysts. The catalysts will be tested for different organic reactions, such as Knoevenagel condensation, diazole synthesis cycloaddition and click reactions and analyzed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). The findings indicate that the synthesized catalysts exhibit elevated surface area, substantial porosity, and possess thermal and morphological attributes conducive to versatile applications in various catalytic processes, particularly within the organic chemistry.