单糖直接转化制DMF的双功能催化剂可控构建及催化机理研究
批准号:
22002010
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
24.0 万元
负责人:
王晓峰
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2023
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王晓峰
中文摘要
2,5-二甲基呋喃(DMF)是潜在的液体生物燃料并可用于多种高附加值化学品的合成。DMF由单糖经脱水-氢解串联反应制得,采用一锅法避免了中间产物的分离提纯,具有重要研究价值。本项目针对一锅法中非贵金属催化剂活性和DMF选择性低等问题,提出利用原子层沉积技术(ALD)表面自限制反应特征,构建以硫酸化氧化锆(SZ)改性碳材料为载体的Ni-M双功能催化剂(M为Fe、Co、Cu),分别以SZ和Ni-M作为酸性位点和金属位点催化脱水和氢解反应。通过调节ALD温度和前驱体脉冲时间等参数分别构筑单原子、团簇和纳米颗粒,探究Ni-M颗粒生长特性;亚纳米尺度精准调控颗粒尺寸、优化酸性位点与金属位点比例,提升催化剂活性和DMF选择性;d轨道态密度计算与实验验证结合,探究Ni和M间电子转移机制,阐明催化剂尺寸效应和碳载体作用,揭示酸性位点与金属位点协同催化机制,为设计优化双功能催化剂、高效制备DMF提供新思路。
英文摘要
2,5-Dimethylfuran (DMF) is a potential liquid biofuel and can be used in the synthesis of a variety of high value-added chemicals. DMF is prepared from monosaccharides through dehydration-hydrogenolysis tandem reaction, and the one-pot method avoids the separation and purification of intermediate products, which has important research value. In view of the problems of low activity and poor DMF selectivity of non-noble metal catalysts in the one-pot process, this project proposes to take advantage of the surface self-limiting reaction characteristics of atomic layer deposition (ALD) and construct Ni-M bifunctional catalysts (M=Fe, Co, or Cu) using sulfated zirconia (SZ) modified carbon materials as the supports. SZ and Ni-M will be used as acid sites and metal sites to catalyze the dehydration and hydrogenolysis reactions, respectively. Through adjusting parameters such as ALD temperature and the pulse time of precursors, single atoms, clusters and nanoparticles will be constructed separately, and the growth characteristics of Ni-M particles will be explored; through precisely adjusting the particle size at sub-nanometer scale and optimizing the ratio of acid sites to metal sites, the activity and DMF selectivity of the catalysts will be improved; through d-orbital density of state calculation and experiments verification, the electron transfer mechanism between Ni and M will be explore, the catalyst size effect and roles of carbon supports will be clarified, and the synergistic catalytic mechanism of acid sites and metal sites will be revealed, to provide new ideas for the design and optimization of bifunctional catalysts and the efficient preparation of DMF.
在单糖和5-羟甲基糠醛(HMF)直接转化制2,5-二甲基呋喃(DMF)反应中,催化剂的活性和DMF选择性低是制约其应用的瓶颈所在。为此,本项目采用原子层沉积(ALD)法和浸渍法构建了Pt/C和Pt-Ni/C等催化剂,实现了HMF到DMF的高效转化,并揭示了不同碳载体作用和Pt-碳相互作用对催化性能的影响;采用共沉淀法制备了Cu-Co/CeOx非贵金属催化剂,通过调节催化剂中金属位点和酸性位点的比例,实现了单糖和HMF到DMF的直接转化,并阐明了催化剂在反应中的界面效应;采用共沉淀法合成了Cu/CoOx催化剂,通过调节催化剂中酸性位点和金属位点的比例,在150°C下HMF转化到DMF的收率达到99%,密度泛函理论计算与实验验证相结合,发现CoOx作为酸性位点倾向于吸附C=O键,Cu+作为金属位点倾向于吸附C-O键并促进C=O键的加氢;通过优化催化剂中Cu和CoOx物种的比例,Cu/CoOx在苯乙酮、乙酰丙酸和糠醛的加氢脱氧(HDO)反应中表现出优异的性能,证明了催化剂在HDO反应中的通用性,以硫酸化氧化锆改性的Cu/CoOx催化单糖转化制DMF,发现催化剂较强的酸性有利于单糖脱水-氢解转化到DMF;将CuCoOx催化剂用于愈创木酚、香草醛和乙酰丙酸的HDO反应中,实现了从单一模型化合物到目标产物的高效转化,之后将CuCoOx催化剂用于模型化合物混合物和生物油的HDO反应中,发现催化剂对甲氧基、羰基和芳香环具有较强的吸附能力,并且生物油中的高含氧化合物被转化为低含氧量化合物和烃类化合物。本项目不仅揭示了酸性位点与金属位点的协同催化机制,同时为设计优化双功能催化剂、高效利用生物质提供了新思路。在本项目资助下,在Chem Eng J等期刊上共发表SCI论文13篇,申请中国发明专利5件,已授权4件,培养硕士研究生3名。
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