多相固体催化剂用于甘油氧化制乳酸研究进展

随着新的全球气候协议下的中国双碳行动计划的实施, 开发和利用可再生生物质资源显得极为重要. 甘油作为生物柴油在生产过程中的主要副产物, 将其催化转化成各种高附加值衍生物受到广泛关注, 其中甘油选择性氧化为乳酸具有巨大的应用前景. 近年来, 采用固体催化剂催化氧化甘油制乳酸成为国内外学者研究的热点. 我们综述了固体催化剂用于甘油催化转化制备乳酸的研究现状, 对甘油催化转化为乳酸的反应途径做了分析, 并讨论了影响催化剂活性的因素, 对当前所存在的问题提出建议, 也对未来相关催化剂制备发展进行了展望.     

活性炭担载的铂催化剂在碱性条件下选择性氧化甘油制备乳酸（英文）

生物柴油是一种环境友好的燃料,随着其生产及应用的快速增长,其生产过程中重要的副产物甘油将会大量过剩.因此,将甘油转化为高附加值的化学品对于提高生物柴油整体竞争力具有重大意义.乳酸是重要的化工原料,可用于制备生物兼容和可降解的聚乳酸塑料,广泛应用于食品和医药等领域.近年来,由甘油制乳酸的研究受到格外关注,相对于水热反应和氢解反应等,催化选择氧化反应因温和的反应条件而更具竞争力.目前,甘油催化选择氧化制乳酸一般需加入较高比例的NaOH,而碱的类型对反应性能的影响鲜有报道.另外,催化剂常采用TiO_2和CeO_2等氧化物载体,而炭载体具有比表面积较大、在酸碱溶液中稳定及贵金属易于回收等优点,在催化领域有着广泛应用.因此,本文研究了活性炭(AC)担载的Pt催化剂在甘油催化选择氧化制乳酸反应中的催化性能.首先研究了Pt/AC催化剂和碱在甘油催化选择氧化制乳酸过程中的催化作用.实验发现,Pt/AC和碱协同作用才能得到乳酸.Pt/AC催化剂在甘油脱氢生成中间产物(甘油醛和二羟基丙酮)的过程中起主导作用,碱的存在能够促进甘油羟基脱氢;中间产物实验证实,中间产物生成乳酸过程中碱起主导作用,它促进甘油醛和二羟基丙酮脱水反应和坎尼扎罗重排反应获得乳酸.进一步研究发现,中间产物二羟基丙酮比甘油醛更有利于乳酸生成,而Pt/AC催化剂有利于中间产物氧化为甘油酸.进一步研究了不同类型的碱对反应性能的影响.结果表明,碱金属氢氧化物(LiOH,NaOH,KOH)比碱土金属氢氧化物(Ba(OH)_2)更有利于提高甘油转化率和乳酸选择性.在加入碱金属氢氧化物条件下,甘油转化率与其离子半径呈正相关,而乳酸选择性则呈相反趋势.在LiOH存在下,乳酸选择性明显高于NaOH和KOH条件.当LiOH:甘油摩尔比为1.5时,甘油转化率和乳酸选择性均最高.在较低的LiOH与甘油摩尔比时,随着反应的消耗,溶液中的OH–减少,其促进甘油脱氢的作用变弱,并且不利于中间产物进行坎尼扎罗反应,故反应活性和乳酸选择性较差;而当LiOH比例过高时,会导致溶解氧浓度迅速降低,从而使甘油转化率和乳酸选择性下降,同时副产物甘油酸的选择性有所提高.这可能是因为较高比例的碱会促进中间产物甘油醛生成,该中间产物在Pt/AC催化作用下发生进一步氧化反应生成甘油酸.研究了反应时间对催化性能的影响.结果表明,反应6 h后,甘油已经完全转化,乳酸选择性最高,达到69.3%;进一步延长反应时间,乳酸选择性有所下降,而副产物乙酸选择性略有增加,这可能是部分乳酸分解所致.Pt/AC催化剂经5次循环使用后仍保持了较高的甘油转化率和乳酸选择性     

活性炭担载的铂催化剂在碱性条件下选择性氧化甘油制备乳酸

生物柴油是一种环境友好的燃料,随着其生产及应用的快速增长,其生产过程中重要的副产物甘油将会大量过剩.因此,将甘油转化为高附加值的化学品对于提高生物柴油整体竞争力具有重大意义.乳酸是重要的化工原料,可用于制备生物兼容和可降解的聚乳酸塑料,广泛应用于食品和医药等领域.近年来,由甘油制乳酸的研究受到格外关注,相对于水热反应和氢解反应等,催化选择氧化反应因温和的反应条件而更具竞争力.
　　目前,甘油催化选择氧化制乳酸一般需加入较高比例的NaOH,而碱的类型对反应性能的影响鲜有报道.另外,催化剂常采用TiO2和CeO2等氧化物载体,而炭载体具有比表面积较大、在酸碱溶液中稳定及贵金属易于回收等优点,在催化领域有着广泛应用.因此,本文研究了活性炭(AC)担载的Pt催化剂在甘油催化选择氧化制乳酸反应中的催化性能.
　　首先研究了Pt/AC催化剂和碱在甘油催化选择氧化制乳酸过程中的催化作用.实验发现, Pt/AC和碱协同作用才能得到乳酸. Pt/AC催化剂在甘油脱氢生成中间产物(甘油醛和二羟基丙酮)的过程中起主导作用,碱的存在能够促进甘油羟基脱氢;中间产物实验证实,中间产物生成乳酸过程中碱起主导作用,它促进甘油醛和二羟基丙酮脱水反应和坎尼扎罗重排反应获得乳酸.进一步研究发现,中间产物二羟基丙酮比甘油醛更有利于乳酸生成,而Pt/AC催化剂有利于中间产物氧化为甘油酸.
　　进一步研究了不同类型的碱对反应性能的影响.结果表明,碱金属氢氧化物(LiOH, NaOH, KOH)比碱土金属氢氧化物(Ba(OH)2)更有利于提高甘油转化率和乳酸选择性.在加入碱金属氢氧化物条件下,甘油转化率与其离子半径呈正相关,而乳酸选择性则呈相反趋势.在LiOH存在下,乳酸选择性明显高于NaOH和KOH条件.当LiOH：甘油摩尔比为1.5时,甘油转化率和乳酸选择性均最高.在较低的LiOH与甘油摩尔比时,随着反应的消耗,溶液中的OH–减少,其促进甘油脱氢的作用变弱,并且不利于中间产物进行坎尼扎罗反应,故反应活性和乳酸选择性较差;而当LiOH比例过高时,会导致溶解氧浓度迅速降低,从而使甘油转化率和乳酸选择性下降,同时副产物甘油酸的选择性有所提高.这可能是因为较高比例的碱会促进中间产物甘油醛生成,该中间产物在Pt/AC催化作用下发生进一步氧化反应生成甘油酸.
　　研究了反应时间对催化性能的影响.结果表明,反应6 h后,甘油已经完全转化,乳酸选择性最高,达到69.3%;进一步延长反应时间,乳酸选择性有所下降,而副产物乙酸选择性略有增加,这可能是部分乳酸分解所致. Pt/AC催化剂经5次循环使用后仍保持了较高的甘油转化率和乳酸选择性.     

甘油的催化选择氧化

综述了近年来生物柴油主要副产物甘油的催化选择氧化的研究进展。分析了甘油的化学催化选择氧化的反应网络;介绍了催化甘油选择氧化反应主要的催化剂如负载型金属催化剂、多孔催化剂以及有机酰基-TEMPO催化剂的催化性能及其催化机理;评述了甘油催化氧化过程中各反应条件等对产物选择性和反应物转化率的影响;概括了甘油的电催化氧化、甘油催化氧化聚合生成新型聚合物-聚丙酮二酸盐（Polyketomalonate）等新催化反应及其机理,总结了甘油生物催化氧化的产物二羟基丙酮（DHA）的新进展。最后提出了甘油的催化氧化存在的一些问题,并展望了甘油催化氧化的研究和发展方向。     

Al(CF3SO3)3催化选择性氧化甘油转化为甲酸

化石能源的日渐紧缺以及在使用过程中带来的环境污染引起了世界范围内学术界和工业界的密切关注,而生物柴油作为一种环境友好的可再生资源,可以替代化石能源,具有非常好的发展前景.虽然生物柴油生产过程中会产生大量甘油副产物,但是甘油也是一种重要的生物质平台分子,可用于生产多种高附加值的化学品.为了提高甘油的利用价值,同时探索一条高产率制备甲酸的可替代路径,本文研究了一个在较温和条件下,以三氟甲磺酸盐为催化剂,过氧化氢为氧化剂,将甘油选择性氧化为甲酸和乙醇酸的催化体系.结果表明,金属阳离子的催化活性与它们的水解常数(Kh)和内含水配体取代的交换速率常数(水交换速率常数, WERC)之间存在密切的相关性,适当的水解常数和较高的水交换速率常数有利于甘油氧化反应.在考察的多种金属三氟甲磺酸盐中,三氟甲磺酸铝(Ⅲ)是甘油选择性氧化为甲酸最有效的催化剂.在温度为70°C,反应12 h的条件下,甲酸收率可达72%.另外,反应体系中甘油、催化剂和H_2O_2的比例对甘油氧化产物分布有一定影响.一系列实验研究表明,催化体系中产生的Lewis酸和Br?nsted酸存在协同作用,具有适当Lewis酸和Br?nsted酸比例的金属盐呈现出良好的催化性能,催化剂过度水解可降低其催化活性.Al(OTf)_3原位水解过程中产生的Lewis酸性物种[Al(OH)_x]~(n+)和Br?nsted酸物种CF_3SO_3H是催化甘油转化的活性中心,另外在H_2O_2存在下产生的Al过氧物种可能是甘油氧化的活性中心.反应动力学和~1H NMR研究表明,在甘油转化为甲酸的过程中,甘油酸、乙醇酸和乙酸可能是反应的中间产物,可以继续氧化转化为甲酸.该催化剂体系同样适用于其他生物平台分子选择性氧化转化为有机羧酸,并且能够在甘油氧化反应中多次循环使用.Al(OTf)_3作为简单易得的催化剂具有高效的催化性能和优异的循环使用性能,这将为甘油选择性氧化转化为高附加值产品开辟一种新的方法.     

催化甘油脱水氧化连串反应制丙烯酸

本文综述了近年来单反应器中甘油脱水氧化连串反应制备丙烯酸的研究进展。文中简介了甘油来源及丙烯酸的需求背景;概括了当前对单反应器中的催化体系、反应温度、接触时间、氧气分压及甘油浓度等的研究状况;重点讨论了单、双床层气固相体系中复合氧化物型催化剂和分子筛负载型催化剂的催化性能及其影响因素,涉及的催化剂有V-P、Fe-P、W-V、Mo-V、CsPW-Nb、VMo-SiC等复合氧化物和V_2O_5/BEA、V_2O_5/MFI分子筛负载型催化剂等;总结了当前研究对气固相催化反应机理和可能发生的副反应的认识;评述了催化剂的失活现象与再生问题;此外,还讨论了液固相体系中Cu/SiO_2-MnO_2和POM/Al_2O_3催化剂的催化特点及反应机理。最后分析了单反应器中甘油脱水氧化连续反应制丙烯酸反应过程尚存的难题,从反应体系的选取、催化剂性能的改进以及催化剂积炭消除等方面展望了可能的解决途径和方向。     

在复合金属氧化物催化剂上丙烷直接氧化制丙烯酸

丙烷直接氧化制丙烯酸是近年来催化氧化的热点课题。MoVTe(Sb)NbO复合金属氧化物催化剂是该反应最重要的一类催化剂。本文对该类催化剂的制备化学包括活化方式以及决定催化性能的主要活性相结构等方面的新近认识进行了系统评述；依据丙烷催化转化的反应途径，总结了有关催化剂元素组分在反应中的作用与功能的最新进展，调变催化剂的粒子尺寸与形貌、晶相组成与结构、表面酸碱性与氧化还原性是获得优良催化性能的关键因素。     

甘油脱水制丙烯醛金属氧化物催化剂研究进展

催化甘油选择性脱水制备丙烯醛是一种较有应用前景的生物质转化反应。反应使用的固体酸催化剂包括无机酸及其盐、稀土焦磷酸盐、金属氧化物、杂多酸和分子筛等。相比于其它类型的催化剂，金属氧化物催化剂表现出更高的稳定性。本文综述了近年来甘油脱水制丙烯醛金属氧化物催化剂的研究现状，简要分析了氧化物催化甘油脱水反应的机理，并提出了存在的问题和未来的研究方向。     

氨基酸多相催化转化研究进展

氨基酸的催化转化是实现氨基酸在化学和生物领域利用的重要手段.综述了氨基酸催化加氢制手性氨基醇、催化脱羧制胺类和腈类、催化脱氨制羧酸及其衍生物、催化热解制生物燃料及作为多相手性催化剂的应用的研究进展.在氨基酸催化加氢中,Ru基和Rh基催化剂展现了较好的催化性能,而反应温度是影响产物光学纯度的主要因素.脱羧反应、脱氨反应和热解反应需要相对较高的温度,对能耗要求较大.寻找高活性和高选择性的多相催化剂实现反应温度和压力的降低是今后的研究方向.而氨基酸作为多相手性催化剂,其研究的重点应在催化剂的效率及分离回收利用上.     

焦磷酸盐-磷酸盐复合催化剂高效催化乳酸脱水制丙烯酸

利用沉淀法制得焦磷酸盐与磷酸盐在浆状态下复配制备成复合催化剂,并用于催化乳酸脱水制丙烯酸.实验发现催化剂的组成对乳酸的转化率及丙烯酸的选择性有着重要的影响,当磷酸盐/焦磷酸盐质量比在30∶70～50∶50范围内,可以获得较高的乳酸的转化率和丙烯酸的选择性.催化反应条件如反应温度,乳酸进料浓度,液空速也被详细地进行了考察.此外,考察了该复合催化剂的稳定性.当催化剂连续运行56 h后,乳酸的转化率保持在96%以上,丙烯酸的选择性也高达57%.为了进一步揭示催化剂的结构与催化性能之间的关系,利用X射线粉末衍射、热重、扫描电镜和傅立叶红外等对催化剂进行了表征.     

生物基甘油氢解合成1,3-丙二醇催化剂的研究进展

1,3-丙二醇（1,3-PDO）作为聚酯单体原料有广阔的市场空间,在化妆品和医药等领域也被广泛应用.由生物基甘油选择氢解一步法合成1,3-PDO工艺被认为是一条绿色环保和高经济性的技术路线.我们在这里主要介绍了甘油氢解制备1,3-PDO催化剂的研究进展,对催化剂类型、催化剂的合成方法和工艺条件进行了归类总结;分析了多种催化剂体系的甘油氢解反应机理,指出了该反应工业化过程中存在的一些问题,并展望了今后的研究发展方向.     

Effect of diluent and reaction parameter on selective oxidation of propane over MoVTeNb catalyst using nanoflow catalytic reactor

The selective oxidation of propane to acrylic acid over an MoVTeNb mixed oxide catalyst, dried and calcined before reaction has been studied using high-throughput instrumentation, which is called nanoflow catalytic reactor. The effects of catalyst dilution on the catalytic performance of the MoVTeNb mixed oxide catalyst in selective oxidation of propane to acrylic acid were also investigated. The effects of some reaction parameters, such as gas hourly space velocity （GHSV） and reaction temperature, for selective oxidation of propane to acrylic acid over diluted MoVTeNb catalyst have also been studied. The configuration of the nanoflow is shown to be suitable for screen catalytic performance, and its operating conditions were mimicked closely to conventional laboratory as well as to industrial conditions. The results obtained provided very good reproducibility and it showed that preparation methods as well as reaction parameters can play significant roles in catalytic performance of these catalysts.     

Challenges and Development Opportunities for Catalytic Technologies in Petrochemical Industry in the 21st Century

The propellent drive and development opportunities for future catalytic technologies in petrochemical industry in the 21st century are reviewed in this paper. It focuses on the following five aspects:(1) The environmentally-friendly catalytic technologies, such as new technologies for the production of organic chemicals changing the raw material and synthetic process, the chemicals production replacing phosgene and hydrogen cyanide toxicant, and the conversion and utilization of organic wastes etc.(2) Utilization and development of cheaper light alkanes, for example, the chemical use of natural gas and the development technologies of methane chain, the production of acetic acid, ethylene and vinyl chloride from selective oxidation of ethane, as well as the manufacture of acrolein and acrylonitrile from the oxidation and ammoxidation of propane.(3) The new propylene-plus technologies of the low value higher olefins, such as catalytic cracking of C4,C5 olefins and metathesis of C4 olefin.(4) The technologies of high selective oxidation, e.g. production of propylene oxide with TS-1 molecular sieve, oxidation process by lattice oxygen and direct oxidation of benzene to phenol etc.(5) Development and application of novel catalytic materials, especially, mesopore molecular sieve materials for a larger molecule reaction, zeolite catalyst with MWW structure for alkylation of benzene and propylene, ionic liquid, and membrane reactor catalyst etc.Meanwhile,the challenging research subjects for future industrial catalysis and the several viewpoints for development strategy of new catalytic technologies are proposed. These viewpoints are as follows:(1) Catalysis discipline must be integrated with many other disciplines and should be multidisciplinary and transdisciplinary.(2) New preparation methods of catalytic materials must be originally developed.(3) The instrumentation having better time resolution and spatial resolution and applying under reaction conditions must be improved further.(4) Fundamental research for catalysis and catalytic theory must be enhanced.(5) Catalysis science must be closely integrated with catalytic reaction engineering.(6) Knowledge innovation and technical progress must be accelerated.(7) Scientific and technological co-operation between academic, industrial circles and public organization having a common interest in catalysis must be intensified.     

A study of the surface region of the Mo-V-Te-O catalysts for propane oxidation to acrylic acid

The bulk mixed Mo-V-Te oxides possess high activity and selectivity in propane oxidation to acrylic acid and represent well-defined model catalysts for studies of the surface molecular structure-activity/selectivity relationships in this selective oxidation reaction. The elemental compositions, metal oxidation states, and catalytic functions of V, Mo, and Te in the surface region of the model Mo-V-Te-O system were examined employing low energy ion scattering (LEIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). This study indicated that the surfaces of these catalysts are terminated with a monolayer, which possesses a different elemental composition from that of the bulk. The rates of propane consumption and formation of propylene and acrylic acid depended on the topmost surface V concentration, whereas no dependence of these reaction rates on either the surface Mo or Te concentrations was observed. These findings suggested that the bulk Mo-V-Te-O structure may function as a support for the unique active and selective surface monolayer in propane oxidation to acrylic acid. The results of this study have important practical consequences for the development of improved selective oxidation catalysts by introducing surface metal oxide components to form new surface active V-O-M sites for propane oxidation to acrylic acid.     

Sequential Dehydration and Oxidation of Biodiesel-derived Crude Glycerol into Acrylic Acid

With the fast development of the biodiesel industry, the byproduced crude glycerol becomes excessive due to the limited demand for refined glycerol. This article provides a green and efficient route to produce acrylic acid from crude glycerol, which is a promising alternative and complement to the petroleum-based production of acrylic acid due to its economic and environmental benefits. Among all the impurities, only the alkaline metal ions in crude glycerol significantly decreased the yield of acrylic acid. After desalination of the plant crude glycerol with ion-exchange resin to remove the critical impurities, the sequential dehydration and oxidation system gave 86% acrylic acid yield, which was as high as that with pure glycerol. In addition, the system showed good thermal stability and regeneration ability after the reaction with desalted crude glycerol. Both the HPW/Cs–Nb and VMo–SiC catalysts were stable for at least 70 h. The activity and selectivity were well recovered after regeneration at the coke burning temperature of 500°C.     

铁基阳极析氧催化剂的研究进展与展望

利用电解水制氢来储存太阳能是未来能源发展的一大趋势。 水的阳极氧化是这一过程中最重要也是最复杂的一步。 因此,设计稳定而高效的水氧化催化剂是电解水制氢的关键。 目前,研究比较成熟的是基于贵金属钌的水氧化催化剂,但由于其价格昂贵、储量较少无法大规模利用。 铁作为钌的同族元素用于水氧化催化近年来受到了越来越多的关注。 本文从铁基阳极水氧化催化剂研究现状、制备方法、催化体系及机理3个方面对电解水铁基阳极催化剂进行了综述。 分析其当前存在的问题,为水氧化催化剂的进一步研究设计提供参考。     

Aluminum(III) triflate-catalyzed selective oxidation of glycerol to formic acid with hydrogen peroxide

Glycerol is a by-product of biodiesel production and is an important readily available platform chemical. Valorization of glycerol into value-added chemicals has gained immense attention. Herein, we carried out the conversion of glycerol to formic acid and glycolic acid using H₂O₂ as an oxidant and metal (III) triflate-based catalytic systems. Aluminum(III) triflate was found to be the most efficient catalyst for the selective oxidation of glycerol to formic acid. A correlation between the catalytic activity of the metal cations and their hydrolysis constants (K_h) and water exchange rate constants was observed. At 70 °C, a formic acid yield of up to 72% could be attained within 12 h. The catalyst could be recycled at least five times with a high conversion rate, and hence can also be used for the selective oxidation of other biomass platform molecules. Reaction kinetics and ¹H NMR studies showed that the oxidation of glycerol (to formic acid) involved glycerol hydrolysis pathways with glyceric acid and glycolic acid as the main intermediate products. Both the [Al(OH)_x]ⁿ⁺ Lewis acid species and CF₃SO₃H Brønsted acid, which were generated by the in-situ hydrolysis of Al(OTf)₃, were responsible for glycerol conversion. The easy availability, high efficiency, and good recyclability of Al(OTf)₃ render it suitable for the selective oxidation of glycerol to high value-added products.