Pt-MOx催化剂界面结构调控及其强化甘油酸合成机制研究
批准号:
22108305
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:
闫昊
依托单位:
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:
闫昊
中文摘要
甘油酸是一种广泛应用于食品、医药等行业中的高端专用化学品。然而,生物基甘油在无碱条件下氧化生成高附加值甘油酸的过程中,目前传统的Pt基催化剂表面电子密度低、吸附位点单一,导致其对O-H、C-H键活化能力弱、C=O键吸/脱附强度不可控,产生了甘油反应活性差、甘油酸产物收率低的瓶颈问题。本工作以调控Pt-MOx(M=Zn或Mn)催化剂界面结构为切入点,通过电子效应丰富Pt表面的电子,促进甘油分子中O-H、C-H键的活化,提高催化活性;利用协同吸附效应控制甘油酸产物中C=O键的吸附强度,抑制C-C键断裂等副反应的发生,提高甘油酸收率。与此同时,结合实验关键制备参数优化和理论计算辅助界面结构设计,发展高效Pt-MOx界面结构的定向调控技术;建立界面结构与O-H、C-H、C=O键活化/脱附能力的对应关系,阐明界面活性位上甘油酸的合成机理,为高效、绿色的多元醇氧化反应的产业化提供重要的理论和技术支持。
英文摘要
Glyceric acid is a kind of high-end special chemical, which has been widely used in food, medicine and other industries. However, in the process of bio-glycerol oxidation to produce high value-added glyceric acid product under alkali free conditions, the traditional Pt-based catalyst exhibits low surface electron density and single adsorption site, resulting in the weak activation ability of O-H and C-H bonds and uncontrollable adsorption/desorption strength of C=O bond. Therefore, the problems of poor catalytic activity and low yield of glyceric acid product were caused. In this work, engineering Pt-MOx (M=Zn or Mn) interface was served as the breakthrough point to solve the above problems. The Pt-MOx interface could enrich the surface electrons of Pt via electronic coupling effect, promoting the activation of O-H and C-H bonds in glycerol molecule. Therefore, the catalytic activity was improved. Moreover, the adsorption strength of C=O bond in the glyceric acid could be controlled by the synergistic adsorption effect of the Pt-MOx interface, inhibiting the side reactions such as C-C bond cleavage. Consequently, the yield of glyceric acid was increased. Meanwhile, combined with the optimization of key experimental preparation parameters and theoretical calculation, a directional control technology for the efficient Pt-MOx interface structure was developed. In addition, the corresponding relationships between catalyst structure and the activation ability or desorption behavior of O-H, C-H and C=O bonds were established, and the synthesis mechanism of glyceric acid on the active site of the Pt-MOx interface was clarified. This work could provide important theoretical and technical support for the industrialization of efficient and green polyol oxidation reaction.
石油基/煤基/生物基的多元醇的液相氧化对于生产中间体如乙醇酸、丙酮酸、甘油酸、二羟基丙酮、亚酒石酸(甘油氧化生成)等具有重要意义,这些羧酸产物可以进一步被转化为环保聚合物、医用药物、可再生生物塑料和绿色溶剂,因此,开发高效、绿色的多元醇氧化技术对于推动传统能源转型的实施具有重要意义,而实现该技术的核心在于高效负载型催化剂的开发。本研究首先结合机器学习与DFT计算构建了微观动力学模型,成功预测了甘油催化氧化Pt-MOx催化剂的性能,明确了Mn、Zn等金属氧化物具有较高的催化活性。其次探讨了实验中关键制备参数对Pt-MOx界面结构的影响,发展了高效Pt-MOx界面结构的定向调控策略。在此基础上,定向构筑了具有Pt-MOx界面结构的催化剂,揭示了界面结构中的尺寸效应、电子转移效应和催化性能之间的关系。此外,多尺度的研究手段证明了界面结构上Pt金属表面电子的富集显著增强了C-H键活化,MOx的引入优先吸附含有C=O双键的羧酸分子,提高了C-C键断裂的能垒,实现了多元醇氧化生成羟基酸的高效转化。该研究结果涉及催化反应工程、理论计算、催化剂工程等多学科相交叉的研究领域,对其进行系统深入的探究不仅有助于无碱条件下甘油氧化制备甘油酸催化性能的提升,同时可以发现新规律、总结新方法,为高效负载型催化剂的理性设计提供新思路,助推生物质多元醇氧化工业化进程。同时依托本项目,以第一/通讯作者在Nat. Comm,Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文20余篇,申请公开/授权发明专利5项,并获得山东省泰山学者青年专家、山东省科技进步二等奖和中国化工学会基础研究成果奖一等奖等研究奖励,培养11名博士/硕士研究生。
富缺陷型MnOx基催化剂结构调控及其催化氧化二甘醇制二甘醇酸作用机制
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:0万元
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批准年份:2024
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负责人:闫昊
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依托单位:
国内基金
海外基金