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糠醛制γ-戊内酯的高选择性Cu-Ni/铌固体酸多功能催化剂的制备及协同效应研究

批准号:
21403065
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
刘晓晖
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
王健健、席金旭、丁大千、叶欣欣、马荣芳

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项目成果

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中文摘要
由糠醛催化转化制高附加值的γ-戊内酯是一条极具前景的生物质利用途径,包含糠醛选择性加氢到糠醇,糠醇醇解制乙酰丙酸酯以及乙酰丙酸酯加氢脱水至γ-戊内酯三步反应。本项目结合前期研究结果及文献调研,得出铌固体酸上的糠醇催化醇解在三步反应中尤显重要。因此,通过反应动力学研究、原位反应表征设计及DFT理论计算,深入探讨醇解催化反应机理,同时对各反应间的相互影响进行研究;在此基础上,通过对铌固体酸表面酸中心的种类和强度的调节、Cu-Ni加氢组分的纳米化制备,利用二者之间的协同作用,设计制备出多功能的铌固体酸负载纳米Cu-Ni的复合催化剂,实现糠醛一釜制备γ-戊内酯的高效催化过程;并通过Cu-Ni/铌固体酸复合催化剂上糠醛制γ-戊内酯反应的动力学研究及DFT理论计算,确定整个反应过程的速控步骤,揭示多步反应间的耦合效应,为高效、绿色、低成本合成γ-戊内酯提供新思路。
英文摘要
Catalytic conversion of furfural to the high value-added γ-valerolactone (GVL) is one of the most promising pathways in the highly efficient utilization of biomass, including hydrogenation of furfural, alcoholysis of furfuryl alcohol, hydrogenation and dehydration of levulinate ester. in the project the alcoholysis of furfuryl alcohol on niobic solid acid is important among three above reactions by our recently studies and references. Therefore, we intend to explore catalytic alcoholysis mechanism in-depth by kinetics studies of the reaction, in situ characterization and DFT theoretical calculation, and study the interaction between the various reactions; On this basis, design and prepare niobic solid acid supported Cu-Ni bimetallic multifunctional catalyst through regulating the surface acid sites and intensity of niobic solid acid, preparation of Cu-Ni nano hydrogenation component and taking advantage of the synergetic effects between the two active sites; Integrate all the intermediate reaction steps of hydrogenation, alcoholysis, hydrogenation and dehydration in the furfural conversion by virtue of designing and preparing niobic solid acid supported Cu-Ni bimetallic multifunctional catalyst, and finally realize the highly efficient one-pot synthesis of GVL; Determine the rate-determining step of the process through kinetic studies and DFT theoretical calculation on Cu-Ni/Nb solid acid composite catalyst; Understand the coupling effects among different steps in whole the reactions. On the whole, the development of Cu-Ni/niobic solid acid multi-functional catalysts in this project would be believed to provide a novel idea for the highly efficient, low-cost and green synthesization of GVL.
一锅法催化转化糠醛制备高附加值的γ-戊内酯是一条极具前景的生物质资源高效利用途径。本项目首先对糠醛一锅法制备γ-戊内酯的过程中的三步催化反应——糠醛加氢至糠醇、糠醇醇解至乙酰丙酸酯及乙酰丙酸酯加氢至γ-戊内酯分别进行了研究:1)分别用多元醇原位还原和共沉淀的方法制备了不同CuNi比例的Cu-Ni-Zr-O催化剂,通过优化CuNi比例,发现共沉淀法制备的Cu1-Ni1-Zr-O催化剂用于糠醛加氢至糠醇反应,糠醇的收率大于99%。2)系统研究了制备条件及助剂等对铌固体酸载体酸性的影响,实现B酸/L酸强度的可控调变,当制备体系pH为1时,得到的铌固体酸载体具有较多的B酸,在糠醇醇解至乙酰丙酸酯反应中表现出较高的乙酰丙酸酯的选择性;类似的,含有较高B酸量的商业低硅铝比ZSM-5也表现出较好的糠醇醇解至乙酰丙酸酯催化活性。3)将糠醛加氢至糠醇反应中Cu1-Ni1-Zr-O催化剂应用于乙酰丙酸酯加氢至γ-戊内酯反应中,γ-戊内酯收率大于96%;通过DFT计算得到乙酰丙酸酯的吸附活化是此反应的速控步骤。接着,在上述研究基础上尝试了催化加氢和醇解多功能催化剂的复配制备,发现复配后催化剂的加氢性能与酸催化性能在一定程度上会相互抑制,尤其是加氢活性组分的加入对铌固体酸载体的酸性有很大影响。通过优化,最终选择Cu1-Ni1-Zr-O和商业的ZSM-5按质量比例5:8混合为催化剂,对糠醛进行一锅法催化转化,以95%的乙醇水溶液为溶剂,3 MPa氢压,180 oC反应25小时,糠醛转化率大于99%,γ-戊内酯收率为63%。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Production of methyl levulinate from cellulose: selectivity and mechanism study
从纤维素生产乙酰丙酸甲酯:选择性和机理研究
DOI: 10.1039/c5gc00440c
发表时间: 2015-01-01
期刊: GREEN CHEMISTRY
影响因子: 9.8
作者: [Ding, Daqian, Xi, Jinxu, Wang, Yanqin]
通讯作者: Wang, Yanqin
Energy-efficient production of 1-octanol from biomass-derived furfural-acetone in water
利用生物质衍生的糠醛丙酮在水中节能生产 1-辛醇
DOI: 10.1039/c5gc01119a
发表时间: 2015-08
期刊: Green Chemistry
影响因子: 9.8
作者: [Xia, Yinjiang, Xi, Jinxu, Liu, Xiaohui, Wang, Yanqin]
通讯作者: Wang, Yanqin
An efficient NixZryO catalyst for hydrogenation of bio-derived methyl levulinate to gamma-valerolactone in water under low hydrogen pressure
一种高效 NixZryO 催化剂,用于低氢压力下在水中将生物来源的乙酰丙酸甲酯加氢为 r-戊内酯
DOI: 10.1016/j.apcatb.2018.01.010
发表时间: 2018
期刊: Applied Catalysis B: Environmental
影响因子: --
作者: [Sun Mengqing, Liu Xiaohui, Xia Qineng, Wang Yanqin, Sun Mengqing, Xia Jie, Wang Haifeng, Liu Xiaohui, Xia Qineng, Wang Yanqin, Liu XH]
通讯作者: Liu XH
Recent advances in heterogeneous catalytic conversion of glucose to 5-hydroxymethylfurfural via green routes
葡萄糖绿色路线多相催化转化为5-羟甲基糠醛的最新进展
DOI: 10.1007/s11426-016-9035-1
发表时间: 2017-05
期刊: Science China Chemistry
影响因子: --
作者: [Wang Jianjian, Xi Jinxu, Xia Qineng, Liu Xiaohui, Wang Yanqin, Wang Jianjian, Wang JJ, Wang YQ, Wang JJ]
通讯作者: Wang JJ
共 14 条
    定向催化氨解木质素衍生芳香化合物的C(sp2)–OMe键一步合成芳香胺的研究
    • 批准号:
      22072042
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      64.0万元
    • 批准年份:
      2020
    • 负责人:
      刘晓晖
    • 依托单位:
    精准活化木质素单元结构中C(sp2)-OMe键的Nb基催化剂的结构设计及调控研究
    • 批准号:
      21872050
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      66.0万元
    • 批准年份:
      2018
    • 负责人:
      刘晓晖
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金