中科院在生物质催化转化方面取得新进展

   随着化石资源逐渐减少和环境污染日益加重，寻找新能源成为科研人员研究的重点工作之一。近期，固体所环境与能源纳米材料中心在生物质催化转化方面取得新进展，实现了相关物质的转化。相关研究成果相继发表在美国化学会环境类核心期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))和国际权威催化期刊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)和相关化学品的合成主要来源于石油化工行业，随着化石资源的逐渐减少和环境污染的日益加重，寻找替代化石资源的可再生能源一直是科学界研究的热点之一。在不影响现阶段全球经济平衡的同时，生物质能源作为清洁的可再生能源物质，已经被越来越多的研究者所关注。糠醛作为一种重要的生物质平台分子，主要来源于半纤维素的水解，可以经过加氢、氧化、酯化等过程转化为不同的高附加值化学品。糠醛加氢可以得到糠醇、四氢糠醇、2-甲基呋喃、2-甲基四氢呋喃、戊二醇等物质，这些重要的化学品具有广泛的用途，可作为油品添加剂、溶剂、药物中间体等。目前这类转化主要以贵金属催化剂为主，其催化活性虽高，但是选择性差、资源稀缺、价格昂贵等缺点限制了其商业化应用。为此，研究开发资源丰富、制备简单且环境友好的非贵金属催化剂逐渐成为该领域的研究热点。
  图1. 磺酸基改性的铜基催化剂表征 (a) XRD；(b)红外；(c)XPS；(d)XAES。
  相关研究人员依托于中科院科研装备研制项目“集成式生物质转化催化剂研究装置”，相继开发出性能优越的铜基和镍基非贵金属催化剂。首先，以化学还原法成功制备出了磺酸基改性的铜基催化剂。相比于传统的铜催化剂，采用上述方法所构筑的催化剂具有更高的铜颗粒分散度和还原度，且对反应物具有优异的吸附性(图1)。在温和的反应条件(378K，0.4MPa和2h)下，糠醛加氢到糠醇的转化率和选择性基本可以达到100%，且具有良好的循环稳定性(图2)。
 图2. 反应参数对糠醛加氢性能的影响及催化剂的循环稳定性。
  除此之外，改性的催化剂在转移加氢制备糠醇中，也展现了优越的性能。相关研究结果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(ACS Sustain. Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))。之后，相关人员通过简单的热解法制备了氮掺杂镍基催化剂，通过调控煅烧温度和氮含量，制备出了比表面积大、镍颗粒尺寸均一、氮掺杂类型和含量可控的镍基纳米催化剂(图3)。在温和的反应条件(353K，4MPa和3h)下，糠醛深度加氢到四氢糠醇的转化率和选择性达到100%，且具有优越的稳定性。除此之外，相对于传统的镍催化剂，所制备的氮掺杂催化剂在转移加氢中显示了较大的优势。相关研究结果发表于Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (J. Mol. Catal. A: Chem. 429, 51–59 (2017))。
  图3. 前处理条件对含氮镍基催化剂(Ni/NAC)形貌及加氢性能的影响 (a) 不掺杂N；(b) 973K,1h；(c) 1073K, 0.5h；(d)1073K, 1h；(e) 1073K, 2h；(f) 1173K,1h。
  该工作得到中科院装备研制项目、国家自然科学基金、中科院百人计划及国际创新团队项目的资助。
  编辑点评
  在社会进步和经济发展过程中，众多的人类的资源被开发利用，造成目前我国化石资源逐渐减少，再加上不合理的开发使用给环境造成巨大破坏，因此，开发利用新能源成为科研人员的重点研究任务之一。固化所在生物质催化转化方面取得进展，这对新能源的开发和催化转化具有重要意义。