Φωτοκαταλυτική συμπεριφορά των στηριζόμενων σε οξειδικούς φορείς φουλερενίων

Abstract

The scope of this dissertation was the heterogenization of the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene towards allylic hydroperoxides with the use of fullerene C60 containing catalysts supported on oxide carriers. The reaction was known to be efficient under homogeneous conditions. The photooxidation of alkenes is conducted by singlet oxygen (1Δg) which is produced by photosensitizers. C60 is known for its photosensitizing ability to produce singlet oxygen under visible irradiation. It was a requirement that C60 would be connected through stable and covalent bonding to the catalysts surface. This became possible through the preparation of a monosubstituted methanofullerene which was subsequently attached through covalent bonding to the surface of the carriers (Grafting). Additionally, a key requirement in the materials design was to provide us with the ability of controlled -under the appropriate conditions- and quantitative detachment of the part which bears C60, and its recovery in solution. This is important because it allows us to examine possible changes in the C60 molecule after the material’s use in catalytic processes or after its thermal or chemical treatment. Employing well-known methods of heterogeneous catalysts synthesis catalysts with the corresponding % molar concentration in C60 were also prepared. The photocatalytic behavior of the prepared materials was investigated in the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene. The effect of carrier and preparation method was also investigated. A comparison was also made with the homogeneous case. The prepared materials were all efficient catalysts in the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene. In all cases, the supported on SiO2 catalysts showed higher reactivity than the corresponding ones supported on Al2O3. Moreover, the catalysts prepared with the Grafting method on SiO2 showed the highest reactivity among all the catalysts examined. The reactivity was higher than in the homogeneous case using equimolar solutions of C60 but lower to the reactivity recorded in the case of the well established photosensitizers Rose Bengal and Tetraphenylporphine (TPP). Finally, the thermal stability of the prepared materials under oxidative conditions was studied._It was realized that materials prepared through Grafting show generally similar thermal behavior with the catalysts prepared with the Incipient Wetness method.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η ετερογενοποίηση της αντίδρασης φωτοξείδωσης του 2 μεθυλ 2 βουτενίου προς αλλυλικά υδροπεροξείδια με τη χρήση φωτοκαταλυτών που περιέχουν φουλερένιο C60 στηριγμένο σε οξειδικούς φορείς. Το φουλερένιο C60 είναι γνωστό για τη δράση του ως φωτοευαισθητοποιητής της παραγωγής οξυγόνου απλής κατάστασης (singlet oxygen) κατά την ακτινοβόληση με ορατή ακτινοβολία, το οποίο πραγματοποιεί την οξείδωση αλκενίων μέσω της αντίδρασης Schenck-Ene. Ήταν επιθυμητό να παρασκευαστούν καταλύτες στους οποίους το C60 να διαθέτει σταθερή ομοιοπολική σύνδεση με την επιφάνεια των φορέων. Αυτό πραγματοποιήθηκε μέσω της σύνθεσης ενός μονοϋποκατεστημένου μεθανοφουλερενικού παραγώγου, το οποίο συνδέθηκε με την επιφάνεια των φορέων (Grafting). Επιπλέον, τα υλικά σχεδιάστηκαν έτσι, ώστε να παρέχουν τη δυνατότητα της πλήρους και ελεγχόμενης αποκοπής κάτω από κατάλληλες συνθήκες, γεγονός που επιτρέπει τον έλεγχο της ακεραιότητας του C60 μετά από χρήση του σε αντίδραση ή μετά από θερμική ή χημική κατεργασία. Παράλληλα παρασκευάστηκαν καταλύτες με κλασικές μεθόδους σύνθεσης ετερογενών καταλυτών. Ως φορείς χρησιμοποιήθηκαν η SiO2 και η Al2O3. Τα υλικά που παρασκευάστηκαν, μελετήθηκαν ως προς τη φωτοκαταλυτική τους δράση ως προς την αντίδραση φωτοξείδωσης του 2 μεθυλ 2 βουτενίου και έγινε σύγκριση τους με βάση τον τρόπο παρασκευής και το φορέα στήριξης. Ακόμη, έγινε σύγκριση της ετερογενούς διεργασίας με την ανάλογη ομογενή. Τα υλικά εμφάνισαν στο σύνολο τους φωτοκαταλυτική δράση στην παραπάνω αντίδραση. Σε κάθε περίπτωση οι στηριγμένοι σε SiO2 καταλύτες εμφάνισαν υψηλότερη δραστικότητα από τους αντίστοιχους που παρασκευάστηκαν σε φορέα Al2O3. Ακόμη, τα υλικά που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο Grafting σε φορέα SiO2 παρουσίασαν την υψηλότερη δραστικότητα ανάμεσα σε όλους καταλύτες που εξετάστηκαν. Η δραστικότητά τους ήταν μάλιστα υψηλότερη και από την αντίστοιχη που παρατηρήθηκε κατά τη χρήση ισομοριακής ποσότητας C60 σε ομογενή αντίδραση αλλά μικρότερη από αυτή των γνωστών φωτοκαταλυτών Rose Bengal και TPP (5,10,15,20-τετραφαινυλο-21Η,23Η-πορφυρίνης). Τέλος, μελετήθηκε η θερμική σταθερότητα των υλικών κάτω από οξειδωτικές συνθήκες. Διαπιστώθηκε ότι η σύνδεση του C60 στην επιφάνεια των φορέων με τη μέθοδο Grafting εμφανίζει γενικά παρόμοια θερμική σταθερότητα σε σχέση με τους καταλύτες που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο του Υγρού Εμποτισμού.