Nano-design of Zeolites Biomass Wastes Valorization: Dehydration of Lactic Acid into Acrylic Acid

The valorization of waste from biomass currently arouses great interest. In the present study we concentrate on the design of innovative BEA zeolite catalysts with applied metal nanoparticles - copper, vanadium and manganese for the dehydration of lactic acid to acrylic acid. The ab initio method based on density functional theory (DFT) was used to calculate the electron structure of the analyzed molecules. The non-local generalized gradient corrected functionals GGA-RPBE was used to in order to account for electron exchange and correlation. The cluster model was represented by a hierarchical zeolite M2Al2Si12O40H22 (M = Cu, V, Mn). The stabilization of the M-Ob-M dimer complex in the hierarchical structure of BEA, mechanism of adsorption of lactic acid on BEA zeolite with applied metal dimers and formation of acrylic acid on these zeolites were investigated. The examined metals form stable dimers interconnected by a bridge oxygen (Ob). Adsorption of lactic acid takes place in the vicinity of a dimer of M-Ob-M. The dehydration of lactic acid to acrylic acid in all cases consists in the separation of the hydroxyl group and creating a connection with a metal center of dimer and disconnection of a single hydrogen atom from the methyl group and its interaction with bridge oxygen of dimer.

Waloryzacja odpadów z biomasy cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem. W niniejszych badaniach koncentrujemy się na projektowaniu innowacyjnych katalizatorów zeolitowych BEA z nanocząstkami metali - miedzi, wanadu i manganu w celu odwodnienia kwasu mlekowego do kwasu akrylowego. Metoda ab initio oparta na teorii funkcjonalności gęstości (DFT) została wykorzystana, przy użyciu nielokalnego funkcjonału korelacyjno-wymiennego GGA-RPBE, do obliczenia struktury elektronowej analizowanych cząsteczek. Hierarchiczny zeolite BEA był reprezentowany przez model klasterowy M2Al2Si12O40H22 (M = Cu, V, Mn). Badano stabilizację dimeru M-Ob-M w hierarchicznej strukturze BEA, mechanizm adsorpcji kwasu mlekowego na zeolicie BEA z zastosowanymi dimerami metali i tworzenie kwasu akrylowego na tych zeolitach. Badane metale tworzą stabilne dimery połączone wzajemnie tlenem mostkowym (Ob). Adsorpcja kwasu mlekowego odbywa się w pobliżu dimeru M-Ob-M. Odwodnienie kwasu mlekowego do kwasu akrylowego we wszystkich przypadkach polega na oddzieleniu grupy hydroksylowej i utworzeniu połączenia z jednym z metali dimeru i odłączeniem pojedynczego atomu wodoru od grupy metylowej kwasu mlekowego i jego oddziaływaniem z tlenem mostkowym dimeru.