Over the past decades, mesoporous silica has emerged as a new material with interesting physical and chemical properties, such as high surface-to-volume ratio, stability, and the feasibility of surface functionalization, amongst others. Mesoporous silica provides an opportunity to improve conventional commercial catalyst supports, and sorbent due to its low-cost synthesis. In this research field, investigations on various materials prepared by different techniques as potential support have been reported. The main objective of the studies was to produce highly stable mesoporous materials for energy and environmental applications using simple and low-cost synthesis.

In this thesis, we utilized the sol-gel and self-templating processes in synthesizing three types of highly porous silica nanomaterials, mainly aerogels (SiO₂ AG), xerogel (SiO₂ XG), and nanosheets (SiO₂ NS). SiO₂ AG and SiO₂ XG were synthesized using the sol-gel method, while SiO₂ NS was synthesized using the soft-templating hydrothermal technique. SiO₂ AG, SiO₂, XG, and SiO₂ NS are explored as catalyst support for low-temperature carbon monoxide (CO) oxidation and compared to commercial Fumed Silica. The synthesized materials are investigated as metal support materials (M/SiO₂) for environmental applications such as CO oxidation and carbon dioxide (CO₂) adsorption. The morphology of the synthesized materials was investigated experimentally using several characterization techniques such as X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photo-electron Spectroscopy (XPS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Thermo-Gravimetry-Differential Scanning Calorimetry (TGA-DSC), gas adsorption by Brunauer–Emmett–Teller (BET) method, Fourier Transform Infra-Red spectroscopy (FTIR), UV-Vis spectroscopy, and Temperature Programmed Reduction (TPR) for understanding the surface chemistry of supports. The M/SiO₂ was subjected to a detailed study of the morphology before, during, and after the low-temperature CO oxidation reaction under various pretreatment and reaction parameters for a better understanding of the chemical and physical changes occurring on the catalyst. It was found that the catalyst structure, surface area, and morphology of M/SiO₂ play a crucial role in the catalytic performance and stability under different reaction conditions compared to unsupported metal catalysts by preventing agglomeration of metal nanoparticles inside pores and aiding in a better dispersion of active sites to boost the mass heat transfer in the silica mesopores. The catalyst pretreatment conditions can affect CO conversion efficiency at low light-off temperatures (T_ig) because of their effect on surface area, particle size, and size distribution of metal nanoparticles, which have a substantial effect on diffusion and mass transport of reactants (CO, O₂) and products (CO₂) and active sites accessibility. The lowest T_ig ~ 195 ℃ and 65 ℃ for aerogel-supported palladium (Pd/a-SiO₂) and aerogel-supported silver (Ag/a-SiO₂) catalysts treated in the CO/O₂ mixture, respectively. Moreover, the effect of reaction conditions on the catalytic CO oxidation was studied. The intrinsic apparent activation energy (E_a) and the number of active sites were calculated experimentally from the Kinetics of CO oxidation and fitted using Arrhenius plots, E_a for Pd/a-SiO₂ ~ 87.6 kJmole^-1. In this dissertation, we have also investigated the conversion hysteresis effect during carbon monoxide (CO) oxidation on metal/silica (M/SiO₂) as a function of different pre-treatment and reaction conditions. The hysteresis behavior has been explored on Pd/SiO₂, which showed a normal hysteresis due to the increased stability of the active sites. In contrast, the Ag/a-SiO₂ showed an inverse counter-clockwise CO oxidation hysteresis. Cyclic and long-term stabilities of the catalysts were investigated, where Pd/a-SiO₂ showed good stability for four consecutive cycles and long-term stability for ~ 27 hrs.

Furthermore, Pd/SiO₂ was investigated for CO₂ adsorption under dry and humid conditions. The adsorption isotherms under variant temperatures and pressures were studied experimentally by evaluating the CO₂ gas adsorption onto Pd/a-SiO₂ at low and moderate temperatures and pressures and fitted theoretically using the Langmuir fitting model. The material showed the highest equilibrium adsorption capacity of CO₂ at low temperatures (3.25 molekg^-1 at 16 ℃ and 1 MPa). Moreover, the moisture effect was investigated and found to play a role in reducing CO oxidation efficiency and increasing CO₂ adsorption.

 The main objective of the studies was to produce highly stable mesoporous-supported Catalysts for multi-energy and environmental applications using simple and low-cost synthesis.  

Under de senaste decennierna har mesoporöst kisel uppstått som ett nytt material med intressanta fysikaliska och kemiska egenskaper, såsom hög yta-till-volym-förhållande, stabilitet och möjligheten till ytterligare funktionalisering av ytan, bland annat. Mesoporöst kisel ger en möjlighet att förbättra konventionella kommersiella katalystbärare och adsorbenter på grund av dess kostnadseffektiva syntes. Inom detta forskningsområde har undersökningar av olika material framställda med olika tekniker som potentiella bärare rapporterats. Det primära målet med studierna var att producera högstabila mesoporösa material för energi- och miljöapplikationer med hjälp av enkel och kostnadseffektiv syntes.

                 I denna avhandling använde vi sol-gel och självtemplateringsprocesser för att syntetisera tre typer av högporösa kiselnanomaterial, huvudsakligen aerogeler (SiO2 AG), xerogeler (SiO2 XG) och nanoskikt (SiO2 NS). SiO2 AG och SiO2 XG syntetiserades med hjälp av sol-gelmetoden, medan SiO2 NS syntetiserades med hjälp av den mjuka templaterings hydrotermiska tekniken. SiO2 AG, SiO2 XG och SiO2 NS utforskades som katalysatorbärare för kolmonoxid (CO) oxidation vid låga temperaturer och jämfördes med kommersiell Fumed Silica. De syntetiserade materialen undersöktes som metallbärarmaterial (M/SiO2) för miljöapplikationer såsom CO-oxidation och koldioxid (CO2) adsorption. Morfologin hos de syntetiserade materialen undersöktes experimentellt med hjälp av flera karaktäriseringsmetoder såsom röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), transmissions elektronmikroskopi (TEM), termogravimetrisk-differential scanning kalorimetri (TGA-DSC), gasadsorption med Brunauer-Emmett-Teller (BET) metoden, Fourier-transform-infraröd spektroskopi (FTIR), UV-Vis spektroskopi och temperaturprogrammerad reduktion (TPR) för att förstå ytkemin hos bärarna. M/SiO2 utsattes för en detaljerad studie av morfologin före, under och efter CO-oxidationsreaktionen vid låga temperaturer under olika förbehandlings- och reaktionsparametrar för en bättre förståelse av de kemiska och fysiska förändringar som sker på katalysatorn. Det visade sig att katalysatorns struktur, ytarea och morfologi hos M/SiO2 spelar en avgörande roll för den katalytiska prestandan och stabiliteten under olika reaktionsförhållanden jämfört med icke-stödda metallkatalysatorer genom att förhindra agglomerering av metallnanopartiklar inne i porerna och underlätta en bättre dispersion av aktiva platser för att öka masstransfer i kiseldioxid mesopor. Katalysatorns förbehandlingsförhållanden kan påverka CO-omvandlingseffektiviteten vid låga ljusavstängningstemperaturer (Tig) på grund av deras effekt på ytarea, partikelstorlek och storleksfördelning av metallnanopartiklar, vilket har en betydande effekt på diffusion och masstransport av reaktanter (CO, O2) och produkter (CO2) samt tillgänglighet av aktiva platser. Den lägsta Tig ~ 195 ℃ och 65 ℃ för aerogelstödd palladium (Pd/a-SiO2) och aerogelstödd silver (Ag/a-SiO2) katalysatorer behandlade i CO/O2-blandningen, respektive. Dessutom studerades effekten av reaktionsförhållandena på den katalytiska CO-oxidationen. Den intrinsiska uppenbara aktiveringsenergin (Ea) och antalet aktiva platser beräknades experimentellt från kinetiken för CO-oxidation och anpassades med hjälp av Arrhenius-plotter, Ea för Pd/a-SiO2 ~ 87,6 kJmole-1. I denna avhandling har vi också undersökt konverteringshysteresiseffekten under kolmonoxid (CO) oxidation på metall/silika (M/SiO2) som en funktion av olika förbehandlings- och reaktionsförhållanden. Hysteresbeteendet har utforskats på Pd/SiO2, vilket visade en normal hysteres på grund av ökad stabilitet hos de aktiva platserna. Å andra sidan visade Ag/a-SiO2 en omvänd moturs CO-oxidationshysteres. Cykliska och långsiktiga stabiliteter hos katalysatorerna undersöktes, där Pd/a-SiO2 visade god stabilitet under fyra på varandra följande cykler och långsiktig stabilitet i ~ 27 timmar.

                Vidare undersöktes Pd/SiO2 för CO2 adsorption under torra och fuktiga förhållanden. Adsorptionsisotermer vid varierande temperaturer och tryck studerades experimentellt genom att utvärdera CO2-gasadsorptionen på Pd/a-SiO2 vid låga och måttliga temperaturer och tryck och anpassades teoretiskt med hjälp av Langmuirs anpassningsmodell. Materialet visade den högsta jämviktsadsorptionskapaciteten av CO2 vid låga temperaturer (3,25 molkg-1 vid 16 ℃ och 1 MPa). Dessutom undersöktes fuktighetens effekt och fanns spela en roll i att minska CO-oxidationseffektiviteten och öka CO2-adsorptionen.

Det primära målet med studierna var att producera högstabila mesoporösbaserade katalysatorer för multienergi- och miljöapplikationer med hjälp av enkel och kostnadseffektiv syntes.