自还原双功能催化剂催化木质纤维素生物质氢解制低碳多元醇的研究

利用生物碳源在煅烧过程中产生的还原性气体还原金属氧化物来制备自还原型双功能催化剂Ni-W/SBA-15,将其直接应用于催化木质纤维素生物质氢解制备低碳多元醇,省去了催化剂还原步骤。TG和XRD结果表明,制备过程中引入的蔗糖含量为3.0 g时,催化剂中被还原的活性金属含量最高;随着Ni含量的增加,镍粒子逐渐增大;W物种为非晶态。SEM和TEM分析表明,SBA-15均匀地负载Ni、W粒子,且粒径小、分散性好。在自还原型催化剂10%Ni-15%W/SBA-15催化作用下,在反应温度为240℃、氢压为5.0 MPa和反应时间为6 h的条件下,微晶纤维素完全转化,低碳多元醇的收率达68.14%;当以小麦秸秆粉作为反应物时,转化率为85.32%,低碳多元醇总收率为44.71%。     

MgO负载金属双功能催化剂用于生物基山梨醇氢解制丙二醇、乙二醇和甘油

甘油、丙二醇和乙二醇是非常重要的化工原料和合成聚酯类、聚醚类树脂的单体,也可作为功能化合物直接应用于化妆品、食品及制冷等领域.随着生物炼制行业的发展,其作为生物基平台化合物在未来可以获得更为广泛的应用.从富含氧原子的纤维素出发制备甘油和二元醇,符合绿色化学化工的原子经济性、工艺经济性和生产过程清洁等原则,也是生物质资源化利用的重要途径.因此,近年来以纤维素及其衍生物糖和糖醇为原料,通过氢解反应制备甘油和二元醇的研究在国外已广泛开展.在目前已报道的氢解糖和糖醇研究中,几乎均采用包含金属催化剂和液体碱助剂的耦合催化体系,所用液体碱为NaOH, KOH和Ca(OH)2等,使用量很大.这些碱性助剂可以提高金属催化剂对糖醇加氢和氢解反应的催化活性,促进底物转化,但同时也不可避免地加剧了二醇产物进一步氢解和自身缩合反应,使产物选择性降低.在产物分离和提纯过程中,过高的碱浓度也会诱导甘油和二醇产品自身缩合,使分离困难,提高了分离成本.反应液的强碱性还增加了生产过程的设备成本.本文以固体碱MgO为载体,分别负载Ni, Co和Cu等金属制备出Ni-MgO, Co-MgO和Cu-MgO等双功能催化剂,应用于糖醇氢解反应,从而减少或避免使用液体碱添加剂.木质纤维素降解得到的单糖中含量最大的是六碳糖,本文以六碳糖加氢衍生物山梨醇为模型底物,考察了所制MgO负载金属双功能催化剂催化糖醇氢解制甘油和二元醇的活性和选择性,研究了反应条件对山梨醇氢解生成二醇和甘油的影响. 山梨醇氢解反应在不锈钢反应釜中进行.采用气相色谱-质谱联用对氢解产物进行定性分析,采用气相色谱和离子色谱分别对反应中低沸点和高沸点产物进行定量分析.结果表明,在Ni-MgO, Co-MgO和Cu-MgO (其中活性金属和载体MgO的比例为1：3)三种催化剂上山梨醇均能高效转化为乙二醇、1,2-丙二醇和甘油;无论是否添加Ca(OH)2,山梨醇氢解活性顺序均为Ni-MgO>Co-MgO>Cu-MgO.三种催化剂上产物选择性有较大差异, Ni-MgO和Co-MgO对乙二醇和1,2-丙二醇具有较好的选择性,其中1,2-丙二醇与乙二醇比例约为2,而Cu-MgO催化剂对1,2-丙二醇选择性较高,1,2-丙二醇与乙二醇比例约为7.同时,考察了反应温度、压力和反应时间对三种催化剂上山梨醇转化活性和产物选择性的影响.随着温度升高,所有催化剂活性均显著增加,其中Ni-MgO和Cu-MgO催化山梨醇氢解对反应条件较为敏感,而Cu-MgO催化剂对反应条件不敏感.在Ni-MgO催化剂上,可以在较低的反应温度下获得较高的产物选择性.     

负载Ni催化剂用于乙二醇蒸汽重整制氢催化性能研究

采用等体积浸渍法和共沉淀法制备了Ni催化剂,在固定床反应器上考察了Ni负载量、焙烧温度、反应温度等因素对乙二醇低温重整制氢反应活性和选择性的影响。应用X射线衍射、氮物理吸附、H₂程序升温还原等技术对负载型Ni催化剂进行了表征。结果表明,共沉淀法制备的Ni/CeO₂催化剂具有较小的NiO颗粒与CeO₂载体颗粒粒径,催化活性较高。添加少量氧化钴到Ni/CeO₂催化剂中可使H₂收率达72.6%,EG转化率达93.1%。在CeO₂中添加Al₂O₃能提高负载Ni催化剂的活性,乙二醇转化率达94.0%,H₂收率达67.0%;但添加SiO₂则使其活性明显变差。     

CO在负载铂催化剂上的催化氧化,TPD及TPSR研究

研究了Pt/MeM(Me=H,Cu,Ce)系列催化剂对CO的催化氧化活性,用热导-气相色谱同步跟踪CO在MeM和Pt/MeM上的TPD,发现CO_2脱附量大小及峰温次序与对CO的催化氧化活性一致。CO吸附达稳态后的TPSR(CO_2)研究表明CO_2的脱附峰温较TPD低,且其脱附量大小、峰温次序亦与对CO的催化氧化活性次序一致。     

pH值调控构建的纳米Ni-W催化剂用于纤维素氢解制多元醇的研究

采用等体积浸渍法制备了双金属Ni-W催化剂,并研究了制备过程中前驱体溶液pH值对活性的影响。柠檬酸和氢氧化钾分别作为酸碱调节剂将前驱体溶液pH值调节至0.83、1.00、3.09、5.00、7.03、8.97和11.0。纤维素氢解反应结果表明,当前驱体溶液的pH值为1.00时,在氢压为5.0 MPa、温度为518 K的反应条件下,得到低碳（C_2,3）多元醇的总收率为74.5%。此外,通过BET和SEM表征了催化剂的物理性质。其比表面积为330-450 m²/g,且在高温煅烧下SBA-15仍保持良好的水热稳定性。TEM和SEM-EDX结果显示,催化剂粒子在载体表面分散性较好,但也有少量的聚集现象。XRD表征表明,NiO等物种的还原程度明显受到pH值的影响,且镍、钨物种的相态也存在着显著不同。     

碱催化促进Ni-W/β分子筛催化剂氢解纤维素产1,2-丙二醇的研究

为提高纤维素催化氢解产醇类产物中1,2-丙二醇(1,2-PG)的收率,采用等体积浸渍法制备了以β分子筛为载体负载Ni和W的催化剂。结果表明,当7Ni-20W/β分子筛作为催化剂时,在240℃反应温度和6.0 MPa H_2的条件下反应30 min后,纤维素实现完全转化,1,2-PG和乙二醇(EG)产率分别达到19.3%和45.3%;不同于其他载体催化剂,β分子筛可以明显提高1,2-PG选择性。当不同碱催化剂加入到Ni-W/β分子筛催化剂反应体系后,可以进一步提高1,2-PG的选择性。尤其是当加入Ba(OH)_2后,1,2-丙二醇产率从19.3%提高了32.5%。为了探究碱催化剂在反应中的作用,以葡萄糖为底物进行了一系列的碱催化反应。结果表明,碱催化剂主要作用是有助于将葡萄糖异构化为果糖,从而促进纤维素转化为1,2-PG。催化剂在两次回收重复利用之后1,2-PG的收率只下降3.9%,乙二醇产率收率下降4.1%。     

不同载体负载Cu催化剂上甘油氢解制1,2-丙二醇催化性能的研究

采用等体积浸渍法合成了一系列不同载体负载的Cu基催化剂,并研究了其在甘油氢解反应中的催化性能。借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H₂-TPR)和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)等手段对催化剂进行了表征,同时考察了反应温度、反应压力、反应时间和催化剂重复使用次数对其催化性能的影响。结果表明,载体对催化剂反应性能影响较大,且甘油氢解反应需要适当的酸性;当在催化剂8Cu/γ-Al₂O₃用量为反应原料质量的2.5%、反应温度513 K、反应压力6 MPa、反应时间6 h、反应原料为质量分数为10%的甘油水溶液的条件下,其催化效果最优,甘油转化率最高为88.4%,1,2-丙二醇的选择性可达到86.2%,且催化剂显示了良好的稳定性。     

氧化锆负载Pd-Cu双金属催化剂上山梨醇选择性氢解合成乙二醇和丙二醇

山梨醇和木糖醇等多元醇是可再生生物质转化合成液体燃料和化学品的重要平台分子,其中,可通过选择氢解反应一步制备乙二醇和丙二醇等重要化工原料,有望代替从乙烯和丙烯制备二元醇的传统石油化工工艺.目前文献中多元醇氢解反应主要使用Ru基和Ni基催化剂等,但是不可避免地生成C?C键非选择性断裂的副产物甲烷等.与之相比,非贵金属Cu基催化剂往往具有较优异的选择性,但其活性较低和水热稳定性较差.因此,到目前为止研制具有高活性和选择性、以及良好水热稳定性的Cu基催化剂用于生物质基多元醇氢解反应仍然存在挑战.在本文中,我们采用贵金属修饰的方法提高Cu基催化剂在山梨醇选择氢解反应中的活性和水热稳定性.通过分步浸渍法合成了1%Pd-3%Cu/ZrO2、1%Pt-3%Cu/ZrO2和1%Ru-3%Cu/ZrO2双金属催化剂,并比较了它们在山梨醇氢解反应中的催化性能.在相同的反应条件下,上述催化剂中1%Pd-3%Cu/ZrO2(Cu/Pd =5)具有最优的活性及乙二醇、丙二醇和甘油的总选择性.以固体碱La(OH)3为助剂,1%Pd-3%Cu/ZrO2的山梨醇氢解活性高达20.3 h-1,是单金属1%Pd/ZrO2(8.7 h-1)和3%Cu/ZrO2(6.5 h-1)催化剂活性的2-3倍,也高于含有相同Pd、Cu含量的1%Pd/ZrO2和3%Cu/ZrO2机械混合体系的活性(12.2 h-1).而且, Pd-Cu/ZrO2双金属催化剂对C2-C3低碳多元醇的选择性也明显优于Pd/ZrO2和Cu/ZrO2以及二者的机械混合体系.这些结果说明Pd对Cu/ZrO2的促进作用不仅仅需要Pd与Cu两种金属的共同存在,还需要它们两者之间的相互作用.进一步发现, Pd-Cu/ZrO2双金属催化剂在Cu/Pd比为1.5-10.0的较宽范围内都表现出了较高的反应活性(17.8-20.3 h-1)以及乙二醇、丙二醇和甘油的总选择性(57.3%-62.8%),说明较低含量Pd的存在就能够有效地改善Cu催化剂的催化性能.在493 K和5.0 MPa H2的反应条件下,以1%Pd-3%Cu/ZrO2为催化剂,在山梨醇接近完全转化时,获得了61.7%的乙二醇、丙二醇和甘油的总选择性.同时, Pd的加入还能有效地抑制水热反应条件下Cu粒子的团聚,使得Pd-Cu/ZrO2催化剂在山梨醇氢解反应中具有优良的水热稳定性和循环使用性能.在5次循环实验中1%Pd-3%Cu/ZrO2的活性和选择性基本保持不变; X-射线粉末衍射结果表明,反应后的催化剂上未观察到Cu的特征衍射峰, Cu粒子仍然保持良好的分散状态.而对于没有Pd修饰的单金属3%Cu/ZrO2催化剂,经5次循环使用后山梨醇氢解反应的活性则下降了42%;在循环反应中Cu粒子显著地聚集而长大到~30 nm. CO吸附漫反射红外光谱结果揭示了Cu粒子倾向于在Pd粒子表面沉积,随着Cu/Pd原子比的增大, Cu粒子逐渐稀释并覆盖Pd的表面位点,说明Pd与Cu粒子之间存在紧密的接触.氢气程序升温还原结果表明,可能与氢溢流有关, Pd的加入促进了CuO的还原.然而,不同于Pd/ZrO2和Cu/ZrO2机械混合样品的TPR图谱,其显示PdO和CuO各自的还原峰, Pd-Cu双金属催化剂则只存在一个宽化的还原峰,这说明了Pd-Cu之间结构上的紧密接触使得两种金属之间存在强相互作用,其中可能存在从Pd向Cu的电子转移.综合这些结构和电子效应,可以推测Pd的存在促进了Cu粒子对山梨醇的脱氢能力和不饱和中间体的加氢能力,进而提高了Cu基催化剂在山梨醇氢解反应中的活性及目标产物的选择性.同时Pd-Cu之间的强相互作用和氢溢流效应抑制了Cu粒子在水热反应条件下的聚集,提高了催化剂的稳定性.这些结果和认识有助于指导人们为多元醇氢解和其它生物质基化学品的转化反应设计具有更高效率和水热稳定性的新型Cu基催化剂.     

不同钨基催化剂上葡萄糖和纤维二糖催化转化制备乙二醇

以葡萄糖和纤维二糖为模型化合物研究了逆羟醛缩合速率与加氢速率之间的匹配对纤维素转化产物分布的影响。葡萄糖和纤维二糖在共浸渍的Ni-WO₃/SBA-15催化剂和物理混合的Ni/SBA-15、WO₃/SBA-15催化剂上具有不同的产物分布。葡萄糖和纤维二糖在不同钨基催化剂上具有不同的乙二醇收率,其顺序为WO₃ < WO₃/SBA-15 < (NH₄)₆W₇O₂₄·6H₂O (偏钨酸铵),这与它们的颗粒粒径成反比。在相同钨基催化剂用量条件下,葡萄糖转化中乙二醇收率小于纤维二糖。     

添加助剂的低铬Cu-Cr-Si催化剂和甲酸甲酯氢解制甲醇

通过对低铬Cu-Cr-Si催化剂以及添加了不同助剂的低铬Cu-Cr-Si催化剂用于甲酸甲酯氢解反应的性能研究，发现助剂B、Zr、Ca、Ba、Mg能够有效地提高低铬Cu-Cr-Si催化剂的活性。并采用TPR、XRD等手段对催化剂进行了表征。     

Self-reducing bifunctional Ni-W/SBA-15 catalyst for cellulose hydrogenolysis to low carbon polyols

A series of self-reducing bifunctional Ni-W/SBA-15 catalysts were synthesized using biomass-based carbon source as the reducing agent without conventional further reduction step. The self-reducing catalysts were performed on the hydrogenolysis of cellulose to low carbon polyols. The effects of calcination temperature and metallic loading contents for cellulose hydrogenolysis reaction were investigated detailedly.The optimal calcination temperature was found to be 673 K by TG analysis. The active metal nanoparticles with a better dispersion were observed using SEM and element mapping technology. The yield of low carbon polyols using the catalyst with the receipt of 10%Ni-15%W/SBA-15-673 K can reach as high as68.14%, of which the ethylene glycol(EG) accounts for 61.04%.     

二氧化硅负载硫酸氢钠催化合成壬酸乙二醇单酯

研究了以二氧化硅负载硫酸氢钠为催化剂,壬酸和乙二醇为原料合成壬酸乙二醇单酯的工艺.考察了酸醇物质的量、催化剂用量、反应时间、反应温度等对壬酸酯化率的影响,结果表明,合成壬酸乙二醇单酯的优化条件为:壬酸与乙二醇的物质的量为1∶3,催化剂的用量为反应物料总质量的5%,反应时间为4h,反应温度为90℃,在此条件下,酯化率可达92%以上,通过红外光谱验证了目标产物.催化剂具有一定的重复使用活性.     

Coking during ethylene glycol oxidation to glyoxal on a silver catalyst

The influence of major parameters of ethylene glycol oxidation to glyoxal on a silver catalyst on catalyst coking has been studied. On the basis of experimental data obtained, methods decreasing the coking have been suggested.     

Immobilization of the Grubbs second-generation ruthenium-carbene complex on poly(ethylene glycol): a highly reactive and recyclable catalyst for ring-closing and cross-metathesis

A poly(ethylene glycol)-bound Hoveyda-Grubbs Ru catalyst derived from the Grubbs second-generation Ru carbene complex was synthesized and shown to be highly reactive in the ring-closing metathesis of a wide variety of diene substrates, yielding di-, tri-, and tetra-substituted carbocyclic and heterocyclic olefins. The immobilized catalyst also proved to be highly reactive and recyclable in cross-metathesis and ring-opening/cross-metathesis. In all cases tested, the catalyst exhibited a high level of recyclability and reusability.     

碳载铂基催化剂乙二醇燃料电池研究进展

对清洁能源替代品的迫切需求推动了人们对燃料电池以及电极催化剂的研究。近年来以改性碳基材料为载体的铂和铂合金催化剂,由于其在大多数燃料电池中性能优异而受到广泛关注。与甲醇和乙醇相比,乙二醇 (Ethylene glycol, EG)很容易从生物质和可再生能源中生产,并且具有优异的反应性能及更高的安全性,是一种很有吸引力的燃料。本文综述了近年来酸性和碱性直接乙二醇燃料电池(Direct ethylene glycol fuel cells, DEGFC)的研究进展,包括DEGFC的结构、铂与不同铂合金在EG中电氧化机理、碳负载铂和铂基EG氧化电催化剂应用特点以及其组装成单电池的性能等等。最后指出了DEGFC发展中需要解决的问题并对未来前景进行了展望。