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蘭州化物所生物基平臺化合物的催化轉(zhuǎn)化研究取得系列進展

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蘭州化物所生物基平臺化合物的催化轉(zhuǎn)化研究取得系列進展

摘要: 　　美國能源部從300多種源于生物質(zhì)的化合物出發(fā)，篩選出了最具有代表性的12種平臺化合物，乙酰丙酸和糠醛是其中兩個重要的平臺分子。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員李福偉課題組近年來致力于乙酰丙酸和糠醛的 ...

　　美國能源部從300多種源于生物質(zhì)的化合物出發(fā)，篩選出了最具有代表性的12種平臺化合物，乙酰丙酸和糠醛是其中兩個重要的平臺分子。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員李福偉課題組近年來致力于乙酰丙酸和糠醛的催化轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)，發(fā)展了一系列基于非貴金屬的催化劑，成功地將乙酰丙酸和糠醛轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品和燃料。
　　乙酰丙酸有兩個官能團（羰基和羧基）能與胺類化合物反應(yīng)，分別生成相應(yīng)的亞胺和酰胺。基于貴金屬鉑和非貴金屬鎳催化劑在亞胺加氫反應(yīng)中的活性差別（經(jīng)過實驗和理論計算驗證），李福偉團隊發(fā)展了一條鎳催化乙酰丙酸液相還原胺化制備吡咯烷酮的新路徑。經(jīng)過中間體分離表征和原位實驗學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)在該反應(yīng)中首先形成酰胺中間體，隨后發(fā)生環(huán)化、分子內(nèi)脫水、加氫得到吡咯烷酮（圖右），這完全不同于以往報道的貴金屬催化反應(yīng)體系中經(jīng)由亞胺中間體的反應(yīng)路徑（圖左）。此外，他們與中科院山西煤炭化學(xué)學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員覃勇課題組合作，利用原子層沉積技術(shù)所制備的多孔碳包覆的Ni NPs催化劑上厚度適中的多孔碳殼可有效防止Ni NPs的流失和團聚，并且不影響反應(yīng)活性，催化劑在循環(huán)利用20次過程中未發(fā)現(xiàn)金屬納米粒子的流失和團聚。該學(xué)習(xí)為通過調(diào)控反應(yīng)路徑發(fā)展非貴金屬催化劑以及提高多相催化劑在液相反應(yīng)中的穩(wěn)定性提供了新的學(xué)習(xí)思路。該學(xué)習(xí)結(jié)果近期發(fā)表于ACS Catalysis， 2017， 7， 4927-4935。
　　將非貴金屬Co NPs原位包覆到酸性HZSM-5分子篩晶粒中，可高效催化乙酰丙酸轉(zhuǎn)化為戊酸酯生物燃料。該反應(yīng)過程在液相條件下進行，浸漬法負載的非貴金屬流失嚴(yán)重。學(xué)習(xí)人員將Co NPs包覆到分子篩晶粒中，由于限域效應(yīng)可抑制金屬的團聚和流失，同時分子篩的孔道結(jié)構(gòu)提供分子運輸通道，使金屬與反應(yīng)物分子有效接觸。在釜式反應(yīng)器和固定床連續(xù)反應(yīng)器中分別測試該催化劑的活性和穩(wěn)定性，乙酰丙酸均可完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物選擇性達90%以上，在固定床反應(yīng)器中長時間運行催化劑會積炭失活，在催化劑制備過程中添加少量鉀為助劑，可有效減少積炭延長催化劑壽命。該項學(xué)習(xí)為石油煉制及生物煉制領(lǐng)域的貴金屬替代學(xué)習(xí)提供了行之有效的途徑。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Catalysis， 2014， 4， 4136-4142 和Applied Catalysis B: Environmental， 2016， 189， 19-25。
　　基于生物基的殼聚糖為可再生的碳氮源，利用分子水平的金屬配位來分散穩(wěn)定金屬離子，采用多組分組裝直接碳化法，學(xué)習(xí)人員成功制備出了分散均勻、成分可控、原位自生的Ru-Ni雙金屬基有序介孔碳催化劑。將該催化劑用于乙酰丙酸加氫制備γ-戊內(nèi)酯反應(yīng)，單次反應(yīng)TON值可達59000左右，催化劑表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性，重復(fù)使用15次后活性未見明顯下降。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Catalysis， 2014， 4， 1419-1425。
　　基于水滑石結(jié)構(gòu)的前驅(qū)物中金屬組分高分散、組成可調(diào)等優(yōu)點，學(xué)習(xí)人員利用CuNiMgAl四元水滑石前驅(qū)體直接還原焙燒制備除了一系列鎂鋁氧化物負載的CuNi合金納米催化劑，該類CuNi合金催化劑在釜式和固定床糠醛選擇性加氫合成糠醇和四氫糠醇中得到了高效和穩(wěn)定的應(yīng)用。該學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表于Applied Catalysis B: Environmental， 2017， 203， 227-236。目前這方面的工作正在開展催化合成生物基二元醇的學(xué)習(xí)。



　　Pt和Ni催化的乙酰丙酸還原胺化反應(yīng)路徑蘭州化物所生物基平臺化合物的催化轉(zhuǎn)化研究取得系列進展  |  責(zé)任編輯：曉木蟲
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