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高活性Pt/WOx界面的构筑及其对甘油加氢脱氧制备1,3-丙二醇的作用机制

批准号:
22108290
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
苗改
学科分类:
生物质转化与轻工制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
苗改

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
甘油作为生物质高值化过程中的主要副产物之一,通过加氢脱氧选择性脱去甘油中间位羟基,可将其转化为高附加值的1,3-丙二醇。针对甘油加氢脱氧向1,3-丙二醇转化过程热力学不利这一问题,通过创新设计催化剂结构形成适合的动力学环境是高选择性制备1,3-丙二醇的关键所在。在前期工作基础上,本项目拟选用特殊骨架结构分子筛为载体,通过载体缺陷位点对掺杂金属W以及活性金属Pt进行空间限域,调控载体-金属以及金属-金属间的相互作用,构筑高活性的Pt/WOx界面;借助系统表征手段剖析Pt/WOx界面结构,结合其在甘油加氢脱氧制备1,3-丙二醇过程的反应特性,揭示Pt/WOx界面作用下的C-O键断裂规律;通过DFT计算及原位动态分析,探究Pt/WOx界面的作用机制及甘油加氢脱氧的反应机理,获得甘油直接加氢脱氧制备1,3-丙二醇的高效途径,从而为甘油高值化利用和1,3-丙二醇绿色生产提供理论依据和技术参考。
英文摘要
Glycerol, as the main by-product of the biomass valorization, can be converted to value-added 1,3-propanediol through hydrodeoxygenation (HDO) process to selectively remove the secondary hydroxyl. However, the selective production of 1,3-propanediol is considerably more challenging because of the thermodynamically unfavorable process for 1,3-propanediol production, so kinetic control using a highly efficient catalyst is essential to attain both high glycerol reactivity and high 1,3-propanediol selectivity. Based on our previous work, this project will aim to construct highly active Pt/WOx interface through the interactions between metal-support and metal-metal using molecular sieve with special skeleton structure as the support to confine the doped metal W and active metal Pt through their defect sites. The Pt/WOx interface structure will be thoroughly analyzed through systematic characterizations and the reaction performance of Pt/WOx interface structures in the process of glycerol HDO to produce 1,3-propanediol will be investigated. Based on the structure and performance analysis, the function of the Pt/WOx interface for C-O bond cleavage behavior will be revealed. Through DFT calculations and the in situ characterization analysis, the reaction mechanism of glycerol HDO process under Pt/WOx interface were explored, so as to obtain an efficient pathway to produce 1,3-propanediol through glycerol HDO process.
甘油(丙三醇)是生物质生产生物柴油过程中的一种主要副产物,占总产物的10%以上,是一种廉价、绿色的工业原料。在甘油加氢脱氧反应的产物中,1,3-丙二醇的附加值最高,具有广阔的市场前景与商业价值。针对于甘油加氢制备1,3-丙二醇反应过程中选择性不高,反应速率慢等问题,本项目旨在构筑高反应活性的Pt/WOx界面用于甘油加氢反应高效制备1,3-丙二醇。通过对催化剂进行筛选,调控催化剂载体合成,制备出了高反应性能的Pt/WOx/Beta催化剂,在间歇反应釜中,180℃条件下反应3 h,甘油转化率可以达到54.1%,1,3-丙二醇的选择性为38.3%,产率为20.7%。在连续反应釜中,在甘油浓度为500 g/L,WHSV=1.0 h-1条件下,1,3-丙二醇的时空产率可达2.5 g·gPt-1·h-1。 通过对催化剂的结构分析可知,Brønsted酸和Lewis酸位点比例接近1:1的改性Beta分子筛为载体时,有利于甘油加氢脱氧向1,3-丙二醇转化;H2-TPR及H2-TPD表征分析,证明了催化剂上金属Pt引发的氢溢流效应是催化剂高活性的关键。结合催化剂结构特点和反应特性,对Pt/WOx/Beta催化剂在反应中的作用进行探究发现,在甘油加氢脱氧过程中,Pt为活性金属,起到解离氢和断裂C-O键作用,W起到氢溢流启动子的作用,降低H·迁移能垒,促进氢溢流的发生,而Beta载体上具有丰富的酸性位点,为氢溢流的发生提供了广阔的空间。催化剂上两种强度的活性氢原子分别起到吸附和断键的作用。通过不同反应底物的加氢脱氧性能对比,证明了在甘油加氢反应中,正丙醇和1,3-丙二醇的生成途径为竞争反应,而非分步反应。这为甘油高效转化至1,3-丙二醇技术开发提供了理论支撑和数据支持。
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