乙酰丙酸乙酯及糠醇转化为γ-戊内酯的双功能催化研究

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生物质是自然界中储存最丰富且廉价的可再生有机碳资源。γ-戊内酯(GVL)作为一种重要的生物质衍生化合物,在燃料、化工、食品等领域具有广阔的应用,是公认的基础化工原料替代品之一。探索出绿色、经济、高效的GVL合成路线是目前生物质资源利用领域研究的热点问题。本文为乙酰丙酸乙酯及糠醇合成GVL设计并制备了高效的镍基催化剂和酸催化剂,研究了金属-酸、双酸催化剂在反应中的催化反应规律,主要研究内容如下:(1)以柠檬酸为还原剂,硝酸镍为镍源,采用固相研磨-原位还原法制备出一系列不同柠檬酸和硝酸镍摩尔比(C6H8O7/Ni)的无载体磁性介孔Ni-X催化剂。改变柠檬酸用量可以改变柠檬酸镍前驱体还原程度,并调节Ni-X催化剂的孔结构及Ni O含量。C6H8O7/Ni摩尔比为1.2:1的Ni催化剂(Ni-1.2)在乙酰丙酸乙酯(EL)转移加氢合成GVL反应中具有最高的催化活性。最优反应条件下,EL完全转化,GVL的选择性可达99.1%。表征结果表明,Ni-1.2的优异催化性能可归因于:Ni-1.2均一的介孔结构和较高的比表面积,降低了反应分子的扩散阻力,使得Ni活性中心得以充分利用;催化剂表面少量Ni O提供的路易斯酸位可活化EL羰基并促进GVL的形成,起到协同催化的作用。(2)以废FCC催化剂(E-cat)为载体,采用固相研磨-原位还原法制备一系列不同镍负载量的w-Ni/E-cats催化剂。Ni负载量为30%的Ni/E-cat催化剂(30-Ni/E-cat)在乙酰丙酸乙酯转移加氢合成GVL反应中表现出最高的催化活性。最优反应条件下,EL的转化率为90.3%,GVL选择性达到96.2%。通过XRD、NH3-TPD和SEM等表征分析,金属-酸双功能催化剂催化反应时,金属活性中心对EL的转化起决定作用,而酸中心主要影响产物GVL的选择性。30-Ni/E-cat催化剂的高活性归因于其均匀分散的Ni金属活性中心及酸位点在GVL的合成中起协同催化作用。反应中存在两种途径,经中间产物4-HPE的路径为主要反应路径。(3)制备了双功能Zr-P/TS酸催化剂并探究其在糠醇转化为GVL反应中的催化性能及不同酸类型(B/L)所起的催化作用。根据产物的分布及变化规律可知,Bronsted酸性的磷钨酸在反应中促进糠醇经中间体FE转化为乙酰丙酸异丙酯,而ZrO2的Lewis酸位点有效催化乙酰丙酸异丙酯转移氢化合成GVL,并提出了相应的反应路径和反应机理。通过优化反应参数,提高了乙酰丙酸异丙酯和γ-戊内酯的选择性。在最佳反应条件下,糠醇转化率达到100%,乙酰丙酸异丙酯选择性为51.9%,GVL选择性为41.1%。
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