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圖1. 磺酸基改性的銅基催化劑表征 (a) XRD；(b)紅外；(c)XPS；(d)XAES。
圖2. 反應參數對糠醛加氫性能的影響及催化劑的循環穩定性。
圖3. 前處理條件對含氮鎳基催化劑(Ni/NAC)形貌及加氫性能的影響 (a) 不摻雜N；(b) 973K,1h；(c) 1073K, 0.5h；(d)1073K, 1h；(e) 1073K, 2h；(f) 1173K,1h。
近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心在生物質催化轉化方面取得新進展。相關研究成果相繼發表在美國化學會環境類期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))和國際催化期刊Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (J. Mol. Catal. A: Chem. 429, 51–59 (2017))上。
目前，燃料油（汽油、柴油及航空油）和相關化學品的合成主要來源于石油化工行業，隨著化石資源的逐漸減少和環境污染的日益加重，尋找替代化石資源的可再生能源一直是科學界研究的熱點之一。在不影響現階段全球經濟平衡的同時，生物質能源作為清潔的可再生能源物質，已經被越來越多的研究者所關注。糠醛作為一種重要的生物質平臺分子，主要來源于半纖維素的水解，可以經過加氫、氧化、酯化等過程轉化為不同的高附加值化學品。糠醛加氫可以得到糠醇、四氫糠醇、2-甲基呋喃、2-甲基四氫呋喃、戊二醇等物質，這些重要的化學品具有廣泛的用途，可作為油品添加劑、溶劑、藥物中間體等。目前這類轉化主要以貴金屬催化劑為主，其催化活性雖高，但是選擇性差、資源稀缺、價格昂貴等缺點限制了其商業化應用。為此，研究開發資源豐富、制備簡單且環境友好的非貴金屬催化劑逐漸成為該領域的研究熱點。
相關研究人員依托于中科院科研裝備研制項目“集成式生物質轉化催化劑研究裝置”，相繼開發出性能優越的銅基和鎳基非貴金屬催化劑。首先，以化學還原法成功制備出了磺酸基改性的銅基催化劑。相比于傳統的銅催化劑，采用上述方法所構筑的催化劑具有更高的銅顆粒分散度和還原度，且對反應物具有優異的吸附性（圖1）。在溫和的反應條件（378K，0.4MPa和2h）下，糠醛加氫到糠醇的轉化率和選擇性基本可以達到100%，且具有良好的循環穩定性（圖2）。除此之外，改性的催化劑在轉移加氫制備糠醇中，也展現了優越的性能。相關研究結果發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering（ACS Sustain. Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017)）。之后，相關人員通過簡單的熱解法制備了氮摻雜鎳基催化劑，通過調控煅燒溫度和氮含量，制備出了比表面積大、鎳顆粒尺寸均一、氮摻雜類型和含量可控的鎳基納米催化劑（圖3）。在溫和的反應條件（353K，4MPa和3h）下，糠醛深度加氫到四氫糠醇的轉化率和選擇性達到100%，且具有優越的穩定性。除此之外，相對于傳統的鎳催化劑，所制備的氮摻雜催化劑在轉移加氫中顯示了較大的優勢。相關研究結果發表于Journal of Molecular Catalysis A: Chemical（J. Mol. Catal. A: Chem. 429, 51–59 (2017)）。
該工作得到中科院裝備研制項目、國家自然科學基金、中科院百人計劃及國際創新團隊項目的資助。 |
