شیمى کاربردى روز

شیمى کاربردى روز

سنتز و بررسی عملکرد کاتالیستی کاربید زیرکونیوم اصلاح‌شده با گروه‌های اسید سولفونیک در واکنش‌های استری‌سازی به عنوان یک کاتالیست اسیدی جامد نوین

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
دانشکده شیمی کاربردی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شاهین شهر، ایران
چکیده
یک کاتالیزگر اسیدی جامد ناهمگن جدید بر پایه‌ی زیرکونیوم کاربید عامل‌دار شده با گروه‌های اسید سولفونیک (ZrC@SO₃H) سنتز شد و با استفاده از روش‌های مختلفی شامل طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA) و تیتراسیون اسید-باز مورد مشخصه‌یابی قرار گرفت. نتایج این آزمون‌ها اتصال موفقیت‌آمیز گروه‌های اسید سولفونیک به سطح ZrC را تأیید نمودند. این کاتالیزگر در واکنش استری‌سازی اسید استیک با اتانول برای تهیه‌ی اتیل‌استات تحت شرایط ملایم مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش‌ها نشان دادند که این ماده کاتالیزگر، عملکرد بالایی در واکنش‌های استری‌سازی دارد، به‌طوری که در شرایط بهینه، اتیل‌استات با بازده ۹۱٪ سنتز شد. تأثیر پارامترهایی همچون مقدار کاتالیزگر، نسبت مولی الکل به اسید، زمان و دمای واکنش بر نرخ تبدیل اسید استیک بررسی گردید. بیشترین میزان تبدیل زمانی حاصل شد که مقدار کاتالیزگر با 5 درصد وزنی، نسبت مولی اولیه‌ی اتانول به اسید استیک برابر با 5/3:۱، مدت زمان واکنش 5 ساعت و در دمای 80 درجه سانتیگراد نتیجه واکنش حاصل شد. این نتایج نشان می‌دهند که این کاتالیزگر می‌تواند جایگزینی مناسب برای سولفوریک اسید در فرایندهای استری‌سازی باشد و برخی از معایب مرتبط با استفاده از اسیدهای سنتی را کاهش دهد. همچنین، کاتالیزگر مذکور به‌مدت پنج چرخه‌ واکنش با موفقیت بازیافت شد و در هر مرحله عملکرد عالی خود را حفظ نمود. عدم افت محسوس در کارایی پس از استفاده‌های مکرر، پایداری عملکرد کاتالیزگر را تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Sulfonic acid-functionalized zirconium carbide as a solid acid catalyst for esterification reactions

نویسندگان English

Ziba Felfelian
mohammad mahdavi
Department of Chemistry, Malek-Ashtar University of Technology, Shahin-Shahr 83145-115
چکیده English

یک کاتالیزگر اسیدی جامد ناهمگن جدید بر پایه‌ی زیرکونیوم کاربید عامل‌دار شده با گروه‌های اسید سولفونیک (ZrC@SO₃H) سنتز شد و با استفاده از روش‌های مختلفی شامل طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA) و تیتراسیون اسید-باز مورد مشخصه‌یابی قرار گرفت. نتایج این آزمون‌ها اتصال موفقیت‌آمیز گروه‌های اسید سولفونیک به سطح ZrC را تأیید نمودند. این کاتالیزگر در واکنش استری‌سازی اسید استیک با اتانول برای تهیه‌ی اتیل‌استات تحت شرایط ملایم مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش‌ها نشان دادند که این ماده کاتالیزگر، عملکرد بالایی در واکنش‌های استری‌سازی دارد، به‌طوری که در شرایط بهینه، اتیل‌استات با بازده ۹۱٪ سنتز شد. تأثیر پارامترهایی همچون مقدار کاتالیزگر، نسبت مولی الکل به اسید، زمان و دمای واکنش بر نرخ تبدیل اسید استیک بررسی گردید. بیشترین میزان تبدیل زمانی حاصل شد که مقدار کاتالیزگر با 5 درصد وزنی، نسبت مولی اولیه‌ی اتانول به اسید استیک برابر با 5/3:۱، مدت زمان واکنش 5 ساعت و در دمای 80 درجه سانتیگراد نتیجه واکنش حاصل شد. این نتایج نشان می‌دهند که این کاتالیزگر می‌تواند جایگزینی مناسب برای سولفوریک اسید در فرایندهای استری‌سازی باشد و برخی از معایب مرتبط با استفاده از اسیدهای سنتی را کاهش دهد. همچنین، کاتالیزگر مذکور به‌مدت پنج چرخه‌ واکنش با موفقیت بازیافت شد و در هر مرحله عملکرد عالی خود را حفظ نمود. عدم افت محسوس در کارایی پس از استفاده‌های مکرر، پایداری عملکرد کاتالیزگر را تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها English

Solid Acid Catalyst
Sulfonated Zirconium Carbide
Esterification
Ethyl Acetate
[1] Sheldon, R.A., & Downing, R.S. (1999). Heterogeneous catalytic transformations for environmentally friendly production. Applied Catalysis A: General, 189, 163-183.
[2] Mitsutani, A. (2002). Future possibilities of recently commercialized acid/base-catalyzed chemical processes. Catalysis Today, 73, 57-63.
[3] Shanmugam, S., Viswanathan, B., & Varadarajan, T.K. (2004). Esterification by solid acid catalysts-a comparison. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 223, 143–147.
[4] Basari, H., & Ghaani, N. (2024). Homogeneous and new heterogeneous developed catalysts for the production of biodiesel from the waste canola cooking oil. Applied Chemistry Today, 19(73), 227–240. (in persion)
[5] Parak, S., Nikseresht, A., & Karami, M. A. (2023). Biodiesel production by a novel composite of Fe (III)-based MOF and phosphomolybdic acid as an efficient and heterogeneous catalyst. Applied Chemistry Today, 18(67), 31–50. (in persion)
[6] Sajadi, M., Momeni, A. R., & Samimi, H. (2025). Magnetic Zinc hydrogen salt of phosphotungstic acid: an efficient catalyst for the one-pot synthesis of 4-H pyrans derivatives. Applied Chemistry Today, 19(70), 109–116. (in persion)
[7] Liu, T., Li, Z., Li, W., Shi, C., & Wang, Y. (2013). Preparation and characterization of biomass carbon-based solid acid catalyst for the esterification of oleic acid with methanol. Bioresource Technology, 133, 618–621.
[8] Lou, W.-Y., Guo, Q., Chen, W.-J., Zong, M.-H., Wu, H., & Smith, T. J. (2011). A highly active bagasse-derived solid acid catalyst with properties suitable for production of biodiesel. ChemSusChem, 5(8), 1533–1541.
[9] Tao, M.-L., Guan, H.-Y., Wang, X.-H., Liu, Y.-C., & Louh, R.-F. (2015). Fabrication of sulfonated carbon catalyst from biomass waste and its use for glycerol esterification. Fuel Processing Technology, 138, 355–360.
[10] Shafiq, I., Shafique, S., Akhter, P., Yang, W., & Hussain, M. (2020). Recent developments in alumina supported hydrodesulfurization catalysts for the production of sulfur-free refinery products. Catalysis Reviews, 64(1), 1–86.
[11] Zhang, W., & Zhang, S. (2024). Catalysts: Combinatorial heterogeneous catalysis. Encyclopedia of Condensed Matter Physics, 5, 729–737.
[12] Lu, H., Xie, J., Wu, X., Ma, Q., Cheng, J., & Li, Z. (2022). Highly efficient Friedel-Crafts acylation of veratrole over TiO2-SnOx solid solution. Applied Catalysis A: General, 648, 118922.
[13] Wu, J., Jin, D., Ren, X., Cao, D., Wu, K., & Xu, H. (2024). Copper-induced formation of Lewis acid sites enhancing sulfated zirconia catalyzed i-butane normalization. Journal of Catalysis, 432, 115400.
[14] Khorsi Damghani, F., Pourmousavi, S. A., & Kiyani, H. (2020). Starch-derived magnetic nanoparticles (Fe3O4@C-SO3H): Synthesis, Characterization and Its application on the preparation of dihydropyrano[c]chromenes, 2‑Amino-3-cyano‑4H‑pyrans and 2-amino-4H-chromenes derivatives. Applied Chemistry Today, 14(53), 109–124. (in persion)
[15] Kiss, A. A., Dimian, A. C., & Rothenberg, G. (2006). Solid acid catalysts for biodiesel production-Towards sustainable energy. Advanced Synthesis & Catalysis, 348(1), 75–81.
[16] Yadav, G. D., & Nair, J. J. (1999). Sulfated zirconia and its modified versions as promising catalysts for industrial processes. Microporous and Mesoporous Materials, 33(1), 1–48.
[17] Clark, J. H., Dekamin, M. G., & Moghaddam, F. M. (2002). Genuinely catalytic Fries rearrangement using sulfated zirconia. Green Chemistry, 4(4), 366–368.
[18] Clark, J. H., Monks, G. L., Nightingale, D. J., Price, P. M., & White, J. F. (2000). A new solid acid-based route to linear alkylbenzenes. Journal of Catalysis, 193(2), 348–350.
[19] Krishnan, M. G., Rajkumar, S., & Devasagar, T. (2024). The sustainable prospect of biodiesel production: Transformative technologies, catalysts from bio-wastes, and techno-economic assessment. Materials Today: Proceedings.
[20] Salvi, B. L. (2022). Transesterification methods. In A. K. Agarwal, A. P. Singh, & L. M. Das (Eds.), Production of Biodiesel from Non-Edible Sources (pp. 117–151). Academic Press.
[21] Bazyar, Z., Baluchi, N., & Zarei, M. (2017). Synthesis and characterization of palladium stabilized silicon carbide as a heterogeneous photocatalyst in Heck coupling reaction under visible light irradiation. Applied Chemistry Today, 20(75), 31–48.
[22] Pandey, S., Narayanan, I., Selvaraj, R., & Varadavenkatesan, T. (2024). Biodiesel production from microalgae: A comprehensive review on influential factors, transesterification processes, and challenges. Fuel, 367, 131547–131565.
[23] Vasic, K., Podrepšek, G. H., Knez, Ž., & Leitgeb, M. (2020). Biodiesel production using solid acid catalysts based on metal oxides. Catalysts, 10(2), 237–257.
[24] Mazaheri, H., Ong, H. C., Amini, Z., Masjuki, H. H., Mofijur, M., Su, C. H., Badruddin, I. A., & Khan, T. M. Y. (2021). An overview of biodiesel production via calcium oxide based catalysts: Current state and perspective. Energies, 14(14), 3950–3973.
[25] Baik, Y., Lee, K., & Choi, M. (2024). Catalytic conversion of triglycerides into diesel, jet fuel, and lube base oil. Chinese Journal of Catalysis, 58, 15–24.
[26] Vu, T. H. T., Nguyen, M. H., & Nguyen, M. D. (2019). Synthesis of acidic heterogeneous catalysts with high stability based on graphene oxide/activated carbon composites for the esterification of lactic acid. Journal of Chemistry, 2019, Article ID 2962.
[27] Geng, L., Wang, Y., Yu, G., & Zhu, Y. (2011). Efficient carbon-based solid acid catalysts for the esterification of oleic acid. Catalysis Communications, 13(1), 26–30.
[28] Sirsam, R., Hansora, D., & Usmani, G. A. (2016). A mini-review on solid acid catalysts for esterification reactions. Journal of The Institution of Engineers (India): Series E, 97(2), 167–195.
[29] Testa, M. L., Parola, V. L., Mesrar, F., Ouanji, F., Kacimi, M., Ziyad, M., & Liotta, L. F. (2019). Use of zirconium phosphate-sulphate as acid catalyst for synthesis of glycerol-based fuel additives. Catalysts, 9(2), Article 148.
[30] Lee, D. (2013). Preparation of a sulfonated carbonaceous material from lignosulfonate and its usefulness as an esterification catalyst. Molecules, 18(7), 8168–8180.
[31] Basahel, S. N., Ali, T. T., Mokhtar, M., & Narasimharao, K. (2015). Influence of crystal structure of nanosized ZrO₂ on photocatalytic degradation of methyl orange. Nanoscale Research Letters, 10, Article 73.
[32] Tsunekawa, S., Asami, K., Ito, S., Yashima, M., & Sugimoto, T. (2005). XPS study of the phase transition in pure zirconium oxide nanocrystallites. Applied Surface Science, 252(5), 1651–1656.
[33] Jiménez-Morales, I., Santamaría-González, J., Maireles-Torres, P., & Jiménez-López, A. (2011). Calcined zirconium sulfate supported on MCM-41 silica as acid catalyst for ethanolysis of sunflower oil. Applied Catalysis B: Environmental, 103(1), 91–98.
[34] Binti, N. A., & Alias, M. (2021). Non-catalytic and solvent-free esterification of acetic acid with ethanol using coiled flow inverter for ethyl ethanoate synthesis in food industry.
[35] Nagvenkar, A., Naik, S., & Fernandes, J. (2015). Zinc oxide as a solid acid catalyst for esterification reaction. Catalysis Communications, 65, 20–23.
[36] Tang, X., & Niu, S. (2019). Preparation of carbon-based solid acid with large surface area to catalyze esterification for biodiesel production. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 69187–195.
[37] Gao, X., Zhu, S., & Li, Y. (2015). Graphene oxide as a facile solid acid catalyst for the production of bioadditives from glycerol esterification. Catalysis Communications, 62, 48–51.
[38] Essamlali, Y., Larzek, M., Essaid, B., & Zahouily, M. (2017). Natural phosphate supported titania as a novel solid acid catalyst for oleic acid esterification. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56(20), 5821–5832.