催化反应工程团队在生物基多元醇催化氧化领域取得系列进展

发布时间:2021-03-09发布人:淡天俊浏览次数:319

近日,学院催化反应工程团队在生物基多元醇催化氧化研究方面取得系列进展,研究成果分别发表在ACS Catalysis,Applied Catalysis B: Environmental,AIChE Journal,Chemical Engineering Science四个化学类和工程技术类Top期刊,中国石油大学(华东)均为第一署名单位和唯一通讯单位。该系列工作紧密围绕如何实现多元醇催化氧化反应性能提升这一核心问题,探究了催化剂结构与催化性能之间的构-效关系,为高效负载型催化剂在生物质能源化工中的应用提供理论依据和实验借鉴。

题为《AuPt/TiO2双金属催化剂催化选择性氧化葡萄糖和葡萄糖酸转化为酒石酸》(Bimetallic AuPt/TiO2 Catalysts for Direct Oxidation of Glucose and Gluconic Acid to Tartaric Acid in the Presence of Molecular O2)的论文发表在ACS Catalysis上。新葡350vip集团博士研究生刘梦媛为论文第一作者,杨朝合教授和金鑫副教授为通讯作者。

酒石酸是一种高附加值的纤维素基二元羧酸,广泛用作食品、染料和药物的添加剂。然而,酒石酸的化学合成法目前仍采用硝酸直接氧化葡萄糖法,生成大量有毒废酸(50%),酒石酸收率不到10%。本工作首次提出:通过设计双金属AuPt/TiO2催化剂,在分子O2的作用下(110 oC和2 MPa),实现葡萄糖一锅氧化为酒石酸(收率为50%)。催化剂结构表征和DFT计算表明,fcc Pt和bcc Au晶体间的晶格失配应力导致了纳米团簇中孪晶的形成,并引起电场的Jahn-Teller变形。这种几何结构和电子重构导致了C-H键的σ-活化效应增强,进而与C=O键的π-π电子效应在催化剂表面上发生竞争。所以在双金属AuPt/TiO2催化剂的表面上可以协同地发生C-H(氧化)和C-C(脱羧)键的裂解反应。因此,葡萄糖和葡萄糖酸可以在无碱条件下有效地转化为酒石酸。该研究证明了AuPt双金属纳米催化剂中晶格畸变增强了电场的重构,可用于许多其他的能源和环境领域,以催化协同氧化反应。

题为《Pt-Mn2O3界面工程促进乙二醇选择氧化制乙醇酸》(Engineering Pt-Mn2O3 interface to boost selective oxidation of ethylene glycol to glycolic acid)的论文发表在Applied Catalysis B: Environmental上。新葡350vip集团师资博士后闫昊为第一作者,刘熠斌副教授和冯翔教授为论文通讯作者。

由于生物质转化和煤化工的不断发展,未来全球乙二醇(EG)产业将面临产能过剩的问题。在这种情况下,探索乙二醇新的工业应用领域具有重要意义。乙二醇的选择氧化是一种很有吸引力的方法,因为它的氧化产物是重要的平台化学品(如乙二醛,乙醇酸甲酯和乙醇酸)。该工作立足于界面工程,通过设计特定的Pt-Mn2O3界面结构,增强了Mn2O3向Pt金属表面的电子转移,促进了乙二醇反应物分子吸附于Pt金属表面;与此同时,利用Mn2O3本身具有的氧化还原循环性质与Pt的协同作用促进了乙二醇的吸附和C-H键的活化,使得乙二醇氧化的活化能降低,反应活性得到提高。该研究结果为直接制备具有理想活性中心的高效铂基催化剂提供了一条有希望的途径。

题为《Au助剂促进的Pt/MgO/SBA-15催化剂用于甘油高效选择性氧化》(Au-Promoted Pt Nanoparticles Supported on MgO/SBA-15 as an Efficient Catalyst for Selective Oxidation of Glycerol)的论文发表在AIChE Journal上。新葡350vip集团副教授刘熠斌为第一作者,闫昊博士后和杨朝合教授为论文通讯作者。

将生物基甘油在无碱条件下直接氧化制备高附加值的羧酸产物是具有工业潜力的新工艺,其凭借绿色环保、经济利润高等优势受到了科研工作者的高度关注。该工作系统地研究了Pt基催化剂中Au的引入所带来的助剂效应。Au的引入可以有效减小AuPt合金颗粒的尺寸,增强含氧中间产物的吸附和活化;与此同时,Pt和Au活性中心之间的协同作用能够促进C-H键的活化和醛基的氧化,从而实现了伯羟基的定向氧化。研究结果为高效、绿色的甘油氧化反应的产业化提供重要的理论和技术支持。

题为《深入了解甘油液相氧化制甘油酸体系中碱强度对催化性能的影响》(Insight into the Basic Strength-dependent Catalytic Performance in Aqueous Phase Oxidation of Glycerol to Glyceric acid)的论文发表在Chemical Engineering Science上。新葡350vip集团师资博士后闫昊为第一作者,刘熠斌副教授和冯翔教授为论文通讯作者。

深入理解多元醇氧化反应中碱性位点的作用机制有助于高效负载型催化剂的理性设计。该工作系统探究了不同种类和数量的碱性位点与多元醇氧化反应活性之间的关系,其中碱土金属(特别是Mg和Ca)生成的强碱性位能诱导碱性位点向Pt金属传递电子、增强金属-载体作用力和丰富催化剂表面氧空位,进而增强了甘油等多元醇分子在Pt金属表面的吸附,促进了O-H键的活化,使Pt/Ca-MCM-41 催化剂展示出了出色的多元醇(包括甘油、木糖和葡萄糖)氧化催化活性。

杨朝合教授领衔的催化反应工程科研团队秉持“守正出奇、同心致远”的团队精神,以石油化工为特色,瞄准学科前沿,聚焦国家亟需,长期致力于催化反应动力学、纳米催化材料设计、理论计算、过程强化以及重质油加工等领域的研究工作,成功开发了“提高轻质油品收率的两段提升管催化裂化新技术”、“两段提升管催化裂解多产丙烯新技术”、“新型烷烃脱氢技术”和“原油直接催化裂解制化学品新技术” 等,并实现了工业推广应用。相关研究成果先后获国家科技进步二等奖2项,教育部技术发明一等奖等省部级科技奖励15项,在AIChE J., Angew, ACS Catal.等期刊发表论文300余篇,授权国内外发明专利 60 余项,培养博士毕业生37人,硕士毕业生128人,为我国石油化工行业的发展做出了积极贡献。


【作者:淡天俊,单宝来   审核:刘东】

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