Abstract
Layered double hydroxides (LDHs) serve as potential catalysts for biodiesel production through triglyceride (TAG)
transesterication; nevertheless, mass transport limitations hinder their e
ectiveness, especially with larger TAG
molecules. This study addresses this limitation by synthesizing macroporous MgAlLDH and ZnAlLDH using a polystyrene
templating method. Thorough characterization reveals the successful formation of macroporous structures with signi
cantly increased physicochemical properties and their structural design compared to conventional LDHs. X-ray
Di
raction (XRD) conrmed the successful restoration of the LDH structure following calcination and rehydration, with
enhanced crystallinity seen in the macroporous materials. The BET surface area analysis revealed a substantial increase
(10x for MgAlLDH) in the macroporous framework. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron
Microscopy (TEM) images revealed a macroporous network with an average pore diameter of 300 nm, consistent
with the dimensions of the polystyrene template. The X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis revealed slight
changes in surface elemental composition and oxidation states, indicating the impact of the macroporous structure
on surface properties. Catalytic testing with various TAGs (C4–C18) demonstrates a notable enhancement in catalytic
activity, particularly for higher TAGs, due to improved mass transfer. The turnover frequencies of macroporous materials
signicantly exceed those of conventional LDHs, exceeding them by approximately 20 times for the MgAlLDH system
and 15 times for the ZnAlLDH system. The ndings highlight the ecacy of macroporous LDHs as very e
ective catalysts
for biodiesel production, overcoming the inherent mass transfer limitations of conventional LDH catalysts.
transesterication; nevertheless, mass transport limitations hinder their e
ectiveness, especially with larger TAG
molecules. This study addresses this limitation by synthesizing macroporous MgAlLDH and ZnAlLDH using a polystyrene
templating method. Thorough characterization reveals the successful formation of macroporous structures with signi
cantly increased physicochemical properties and their structural design compared to conventional LDHs. X-ray
Di
raction (XRD) conrmed the successful restoration of the LDH structure following calcination and rehydration, with
enhanced crystallinity seen in the macroporous materials. The BET surface area analysis revealed a substantial increase
(10x for MgAlLDH) in the macroporous framework. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron
Microscopy (TEM) images revealed a macroporous network with an average pore diameter of 300 nm, consistent
with the dimensions of the polystyrene template. The X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis revealed slight
changes in surface elemental composition and oxidation states, indicating the impact of the macroporous structure
on surface properties. Catalytic testing with various TAGs (C4–C18) demonstrates a notable enhancement in catalytic
activity, particularly for higher TAGs, due to improved mass transfer. The turnover frequencies of macroporous materials
signicantly exceed those of conventional LDHs, exceeding them by approximately 20 times for the MgAlLDH system
and 15 times for the ZnAlLDH system. The ndings highlight the ecacy of macroporous LDHs as very e
ective catalysts
for biodiesel production, overcoming the inherent mass transfer limitations of conventional LDH catalysts.
Keywords
Biodiesel
Layered Double Hydroxides (LDH)
Macroporous
Mass transfer
triglycerides
Abstract
تُعدّ الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات (LDHs) محفزاتٍ واعدة لإنتاج الوقود الحيوي (الديزل الحيوي) من خلال عملية الأسترة التحويلية للغليسريدات الثلاثية (TAGs)، غير أنّ قيود انتقال الكتلة تحدّ من فعاليتها، خصوصاً مع جزيئات الغليسريدات الثلاثية الأكبر حجماً. تتناول هذه الدراسة هذه المشكلة من خلال تحضير مواد ماكرو-مسامية من MgAl-LDH وZnAl-LDH باستخدام طريقة القالب المصنوع من البوليسترين. أظهرت عمليات التحليل الشاملة تكوينَ بنى ماكرو-مسامية ناجحة تمتاز بتحسّن ملحوظ في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبنية التركيبية مقارنة بالـ LDHs التقليدية. وقد أكّد حيود الأشعة السينية (XRD) إعادة تكوين بنية الـ LDH بنجاح بعد عمليتي التكليس وإعادة الترطيب، مع ملاحظة زيادة في درجة التبلور في المواد الماكرو-مسامية. كما أظهر تحليل مساحة السطح بطريقة BET زيادة كبيرة (بحوالي عشرة أضعاف في حالة MgAl-LDH) في الإطار الماكرو-مسامي. وكشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) عن شبكة مسامية واسعة بمتوسط قطر للمسام يقارب 300 نانومتر، بما يتوافق مع أبعاد قالب البوليسترين المستخدم. أما تحليل الطيف الإلكتروني للأشعة السينية (XPS) فقد أظهر تغيرات طفيفة في التركيب العنصري السطحي وحالات الأكسدة، مما يشير إلى تأثير البنية الماكرو-مسامية على الخصائص السطحية. أظهرت الاختبارات التحفيزية باستخدام غليسريدات ثلاثية مختلفة (من C4 إلى C18) تحسناً ملحوظاً في النشاط التحفيزي، خصوصاً للغليسريدات الأعلى وزناً جزيئياً، نتيجة لتحسن انتقال الكتلة. كما تجاوزت الترددات الدورانية للمحفزات الماكرو-مسامية نظيراتها في الـ LDHs التقليدية بما يقارب عشرين ضعفاً في نظام MgAl-LDH وخمسة عشر ضعفاً في نظام ZnAl-LDH. تؤكد هذه النتائج كفاءة الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات الماكرو-مسامية كمحفزات فعالة جداً لإنتاج الديزل الحيوي، لقدرتها على تجاوز القيود الجوهرية في انتقال الكتلة التي تعاني منها المحفزات التقليدية.
Keywords
الديزل الحيوي، الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات (LDH)، المسامية الكبيرة (الماكرو-مسامية)، انتقال الكتلة، الغليسريدات الثلاثية