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。     

磷酸锆催化甘油气相脱水制备丙烯醛

以沉淀法、水热合成法和浸渍法制备了磷酸锆催化剂,通过X射线衍射、热重分析、氮气物理吸附、红外光谱和Hammett指示剂法对催化剂进行了表征,并将该催化剂用于甘油气相脱水反应.研究表明,由沉淀法得到的磷酸锆经过400℃焙烧后能达到最佳催化活性,在温和条件下,甘油可完全转化,丙烯醛选择性为81%,反应24h内催化剂失活不明显.不同方法制备的磷酸锆其结构和表面酸性显著不同,催化剂表面酸性对催化剂活性、丙烯醛选择性和催化剂的寿命均有较大影响.     

活性炭担载硅钨酸催化甘油脱水制丙烯醛

合成了活性炭(AC)担载的硅钨酸(H4[SiW12O40].nH2O,HSiW)催化剂,并研究了其对甘油脱水制丙烯醛的催化性能.结果表明,10%HSiW/AC催化剂具有较高的活性和选择性,反应生成丙烯醛的时空收率可达68.5 mmol/(g.h),为文献报道的最好结果之一.催化剂的性能与催化剂表面杂多酸的分散度以及强酸中心的相对数量密切相关.     

催化甘油脱水反应的酸活化蒙脱石负载WO_x催化剂的研究（英文）

甘油是一种可由生物资源生产、可持续的、可降解的平台化学品,是生物柴油、肥皂化工等工业生产过程中的主要副产物.催化甘油脱水反应生产丙烯醛,有望能替代丙烯等石油裂解产物合成丙烯醛的传统工业路线.丙烯醛是一种重要的化工中间体,被用于合成蛋氨酸、丙烯酸、3-甲基吡啶和1,3-丙二醇,并被广泛地应用于农药、医药、高分子材料等领域.随着全球可持续能源发展,生物柴油生产迅速发展,将产生大量的副产物甘油.利用甘油为原料,通过合适的催化剂的催化脱水反应生成丙烯醛,是近十多年来国内外工业催化的研究热点之一.用于催化甘油脱水合成丙烯醛的酸催化剂有杂多酸、金属氧化物、沸石与酸性粘土矿物等.钨磷杂多酸(H_3PW_(12)O_(40))负载的催化剂虽然具有较强的酸性,有利于催化甘油脱水,但容易导致结焦,而且热稳定差,容易失活.钨磷杂多酸负载于SiO_2,TiO_2,Al_2O_3,SiO_2-Al_2O_3,K-10蒙脱石上表现出不同的催化活性,表明催化剂和载体的表面酸性和孔结构影响催化性能.近来研究发现,负载于ZrO_2,Al_2O_3的钨氧化物(WO_x)催化剂热稳定性好、酸性高,在甘油脱水反应生成丙烯醛中表现出良好的催化性能.但有关钨氧化物(WO_x)结构、催化活性受载体组成、酸性影响的本质和规律一直不清楚.本文采用20 wt%的硫酸、盐酸、磷酸和乙酸对蒙脱石进行酸改性,并在磷酸改性的蒙脱石上负载W含量为4–16 wt%的WO_x作为催化剂,用于甘油气相脱水反应.X-射线衍射(XRD)、热重-差热法(TG-DTG)、氨程序升温脱附(NH_(3~-)TPD)、红外光谱(FT-IR)和紫外漫反射可见光谱(DR UV-vis)等表征,探讨了酸改性和负载WO_x的蒙脱石对催化剂催化性能的影响.蒙脱石经过20wt%的硫酸、盐酸、磷酸和乙酸的活化,酸性增加.四种酸改性的蒙脱石对甘油气相脱水反应均有催化活性,这是因为在蒙脱石酸活化过程中,H~+经过阳离子交换反应进入蒙脱石层间,同时蒙脱石八面体中的部分Al~(3+)被浸出,使层板上出现不饱和Al~(3+),为催化剂提供了L酸位,蒙脱石硅氧四面体上的Si-OH以及[AlO_4]上吸附的H_3O~+提供了B酸位.XRD分析表明,负载WO_x的蒙脱石表面存在WO_(2.72),WO_(2.9)和WO_3三种不同类型的WO_x,当钨负载量从12 wt%增至16wt%,孤立的单斜晶系WO_3晶粒增多.NH_(3~-)TPD和DR UV-vis结果表明,WO_x负载在蒙脱石表面以[WO_5/WO_6](B酸位)、[WO_4]和单斜晶系WO3相(L酸位)形式存在.蒙脱石上负载WOx能够调节催化剂的酸强度、酸量和酸位.随着钨负载量从4wt%增至12 wt%,丙烯醛收率从40.9%增加到67.3%;进一步增加钨负载量到16 wt%,丙烯醛收率降为50.7%.结果发现,随着钨负载量的增加,催化活性组分含量增加,[WO_5/WO_6](B酸位)增加,使催化活性增加;当W负载量达到16 wt%时,WO_x分散性降低,且在催化剂表面形成孤立的单斜晶系WO_3相(L酸位),不利于提高丙烯醛选择性.当反应温度为320℃,甘油水溶液浓度为15 wt%时,磷酸活化蒙脱石负载12 wt%W的催化剂上甘油转化率为89.6%,丙烯醛收率达到73.3%.     

铜基催化剂上甘油脱水制备羟基丙酮

采用共沉淀法制备了一系列铜基催化剂,在N2中于高压釜中,考察了其催化甘油脱水制备羟基丙酮的反应性能.结果表明,Cu/SiO2催化剂具有较高的催化甘油脱水活性,但目的产物羟基丙酮易与反应产生的H2生成1,2-丙二醇,使得羟基丙酮选择性不高.因此,在固定床反应器上详细考察了在优选的Cu/SiO2催化剂上反应气氛、温度和空速...     

H_3PO_4/MCM-41-T分子筛催化剂的制备及其在甘油气相脱水制备丙烯醛中的应用

采用浸渍法制备了一系列不同焙烧温度(T)的H_3PO_4/MCM-41型分子筛催化剂(1T),其结构经FT-IR,XRD和N2吸附-脱附表征。以甘油脱水制备丙烯醛为探针反应,研究了1T的催化性能。结果表明:1450的Brφnsted酸量最高,催化活性最好,甘油转化率,丙烯醛收率和选择性分别为94%,77%和82%。     

硫酸改性MCM-41分子筛催化剂的制备及其在甘油脱水制备丙烯醛中的应用

以MCM-41介孔分子筛作为载体,采用等体积浸渍法负载硫酸制得H2SO4/MCM-41催化剂,其结构和性能经吡啶红外,XRD,N2吸附-脱附和NH3-TPD表征。并研究了其对甘油脱水制备丙烯醛的催化性能。结果表明:硫酸负载量为10%时,丙烯醛产率最高(85.5%),改性后催化剂保持介孔结构,且酸性增强,Brnsted酸比例增加。     

甘油脱水合成丙烯醛ZSM-5催化剂的孔结构和酸性调控

研究了ZSM-5 孔结构和表面酸性对甘油脱水合成丙烯醛反应性能的影响. 在碱浓度为0.2 mol·L^-1的NaOH溶液中, 分别在65和85 ℃条件下对ZSM-5进行化学刻蚀, 成功地制备了含微介孔的ZSM-5催化剂, 提高了催化剂的表面强酸密度. 碱处理后的ZSM-5催化剂在甘油脱水反应中的稳定性得到显著提高, 在ZSM-5-at85 (经85 ℃碱处理的ZSM-5)催化剂上甘油转化率在反应10 h 后仍可保持95%以上, 丙烯醛选择性达到78%. 采用N₂吸附-脱附等温线、X射线粉末衍射(XRD)、²⁷Al 固体核磁共振(²⁷Al MAS-NMR)和透射电子显微镜(TEM)等手段对ZSM-5 结构和表面性质进行了表征, 实验结果表明在碱处理过程中骨架中的硅发生了溶脱现象, 在分子筛表面上形成了大量介孔, 但是ZSM-5 的MFI 拓扑结构没有发生变化, 骨架中的大部分铝得到保持. X射线光电子能谱(XPS)、X射线荧光光谱(XRF)和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)证实了在碱处理后ZSM-5分子筛外表面的Si/Al 摩尔比低于其骨架中的比例, 由此表明脱硅现象主要发生在ZSM-5 的外表面, 在新产生的介孔区域由于Si/Al 摩尔比的降低使得强酸密度得到提高. 具有微介孔结构和较高酸密度的ZSM-5催化剂增强了反应物扩散性能和容碳能力, 这对于提高甘油脱水合成丙烯醛催化剂的活性和稳定性起到了关键作用.     

铯钨青铜的合成及其对甘油脱水制丙烯醛的催化性能

以仲钨酸铵、硝酸铯为原料,乙二胺四乙酸(EDTA)为模板剂和还原剂,采用水热法合成了铯钨青铜,考察了EDTA用量、水热前驱液浓度、铯钨比等条件对水热产物组成及形貌的影响,并以所得产物为催化剂在固定床反应器中进行甘油脱水制丙烯醛的反应研究,发现铯含量对催化性能有较大影响,在Cs/W摩尔比为0. 2∶1时催化性能最好,甘油转化率达到81. 3%,丙烯醛的选择性达到92. 9%。     

有机-无机复合型固体酸催化剂的制备及其催化甘油乙酸甲酯酯交换反应

酸性催化剂在传统的炼化工艺和最近的生物炼制技术中均起着十分重要的作用.相较于传统的液体酸,固体酸催化剂由于具有易分离、可重复使用、无腐蚀性和环保等优点而引起了广泛的研究兴趣.在过去的几十年中,研究者们成功研制出多种不同类型的固体酸,如沸石、杂多酸、金属氧化物和磺化的碳基材料等.但是,传统的固体酸仍存在一些不足,如酸中心类型和酸强度不确定、表面酸位点分布不均以及活性位点易流失、稳定性较差等.甘油是生物柴油生产过程中的主要副产物.据统计,2022年全球生物柴油的年产量将达到1410亿升,这意味着甘油的产量也将增加.因此,将过剩的甘油催化转化制备高附加值产品具有重要的意义.甘油在酸催化的作用下可以制备得到丙酮缩甘油、甘油酯、丙烯醛和甘油醚等高附加值产品.其中,乙酸甘油酯(包括单乙酸甘油酯(MAG)、二乙酸甘油酯(DAG)和三乙酸甘油酯)在工业中具有广泛的应用,它们既可用于医药、食品和化妆品行业,又可作为燃料添加剂改善生物柴油的性能.目前乙酸甘油酯的主要合成路径为甘油与乙酸或乙酸酐酯化法,但乙酸和乙酸酐对反应设备有腐蚀性,限制了其在工业上的大规模应用.乙酸甲酯是聚乙烯醇生产过程中的主要副产物,具有来源广泛、安全、无味、易分离(沸点低)等优点,因此,以乙酸甲酯为乙酰化试剂与甘油进行酯交换反应制备乙酸甘油酯这一新的合成路径引起了关注.然而固体酸催化剂在该反应中的应用鲜有文献报道.对羟基苯磺酸(PSA)是一种有机液体强酸,可用于缩醛化、酯化、酯交换等酸催化反应中,但它不可分离、无法重复使用而且对环境污染严重.因此,本文采用一锅法,将均相PSA固载在经硅烷偶联剂KH560改性的磷酸锆载体(K-ZrP)上,制备得到一系列不同PSA含量的无机-有机复合型固体酸催化剂(PSA/K-ZrP-x).通过X射线衍射、红外光谱、固体核磁共振碳谱(13C SSNMR)表征方法研究了催化剂的精细结构,吡啶吸附红外(Py-IR)光谱结果表明催化剂的酸性中心主要是布朗斯特酸,通过热重、X射线光电子能谱表征结果计算催化剂中活性组分([H+],S)的整体与表面含量,结果表明PSA/K-ZrP-2中PSA的含量已饱和,且PSA在K-ZrP载体表面分散均匀,从而增加了表面酸位点的可接触性,通过氮气吸脱附和扫描电镜研究了PSA/K-ZrP-x的形成过程,线扫描元素分析表明PSA/K-ZrP-2具有蒲公英状结构.以甘油乙酸甲酯酯交换反应为模型反应,考察了所制备催化剂的活性,结果表明PSA/K-ZrP-2催化剂的稳定性明显高于H3PW12O40,Amberlyst-45,HBEA和HZSM-5等常见的商业化固体酸和AlCl3,FeCl3等路易斯酸.在2.2％[H+]含量的PSA/K-ZrP-2催化剂作用下,10 mmol甘油与100 mmol乙酸甲酯于100℃反应4h,甘油转化率可达81.3％,MAG和DAG的选择性之和达97.7％.在反应初期(0.17 h),该催化剂的比活性可达24028.2 mg-glycerol/g-cat/h,且五次循环使用后活性无明显降低.结合本文表征结果,偶联剂KH560可增强对羟基苯磺酸和磷酸锆之间的相互作用,从而提高催化剂的稳定性.同时,该催化剂在甘油与其它酯类的酯交换反应中也表现出优异的反应活性,表明PSA/K-ZrP-2固体酸催化剂具有较好的普适性.     

制备条件对用于甘油蒸汽重整反应Ni基催化剂性能的影响

研究了制备参数对用于甘油蒸汽重整反应的Ni基催化剂性能的影响。采用过量浸渍法、等体积浸渍法和改进的平衡沉积过滤(EDF)法制备了一系列Al2O3负载的8 wt%Ni催化剂,运用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体光谱仪、N2吸附-脱附、扫描电镜(SEM)、透射电镜和H2程序升温还原(TPR)表征了催化剂的表面和体相性质;采用CHN分析仪和SEM表征了使用后催化剂以测定其表面沉积的碳及其形貌。结果表明,制备方法对所制催化剂的织构、结构和表面性质影响很大,导致氧化铝表面Ni物种的分散和种类的不同。即使XRD和TPR结果证实形成了铝酸镍晶相,但Ni/Al-edf催化剂中β峰的贡献大于其它两个催化剂的,表明在这种情况下铝酸镍更容易还原。在550 oC以上CO2选择性增加和CO选择性不变,表明Ni/Al-wet和Ni/Al-edf催化剂可成功催化水汽变换反应。另外,650oC时Ni/Al-edf催化剂上甘油生成气相产物的转化率、氢气产率以及烯丙醇、乙醛和乙酸选择性最高,且它在所有催化剂中的积炭量也最低。将催化剂结构性质、分散度和还原性与其催化性能相关联,发现EDF法制得的催化剂比表面积和活性相分散度更高,更易被还原,因而其活性和生成H2的选择性更高,也更抗积碳。     

离子液体催化甘油和尿素合成甘油碳酸酯

将一系列酸性、碱性和中性的功能化离子液体用于催化甘油和尿素合成甘油碳酸酯。结果表明,中性离子液体表现出更高的催化活性。离子液体阳离子和阴离子的协同效应促进了反应的进行,离子液体阳离子的正电性活化尿素,阴离子的负电性活化甘油,并且催化剂酸碱位点的平衡对催化反应过程也有一定的影响。此外,离子液体可以实现回收利用至少五次,且催化活性基本不变。采用功能化离子液体替代传统金属催化剂,减少了不可再生资源的利用,且所用原料为廉价易得的生物基原料,过程中也不使用有机溶剂,环境友好。     

A review on catalytic role of heterogeneous acidic catalysts during glycerol acetylation to yield acetins

Glycerol is a colorless, odorless, and non-toxic compound and has application in food, paint, and pharmaceutical industries. At an industrial scale, glycerol (GL) commonly forms as a by-product of soap and biodiesel producing industries. To utilize the excess GL of biodiesel industry, former has been employed as a building block to manufacture value added products such as acetins by fine chemical manufacturers. Acetins, including monoacertin (MA), diacetin (DA) and triacetin (TA), has diverse application such as in cosmetics, fuel additives, pharmaceuticals, leather, and food processing. Specifically, TA is employed as an additive to improve the anti-knocking property of gasoline and viscosity and cold flow properties of biofuel. The acetins are frequently produced at an industrial scale via a homogeneous Brønsted acid catalysed process employing acetic acid or acetic anhydride as an acetylating agent. Homogeneous acid catalysts are corrosive, non-reusable, difficult to separate from the reaction mixture, and sensitive to water, which is formed as a by-product during the glycerol acetylation. To address the issues, Brønsted or Lewis acidic group have been immobilized over various matrices (e.g., mixed metal oxides, mesoporous silica, ion exchange resins, carbon, zeolites, and magnetic nanoparticles) to prepare the heterogeneous acidic catalysts for the glycerol acetylation. Both the sites assisted the carbocation mediated esterification of glycerol with acetic acid or acetic anhydride. The ease of catalyst separation from the reaction mixture and reusability are the major advantages of their usage. However, lower conversion levels with low product selectivity, catalysts deactivation, and partial dissolution in the reaction mixture are the concerns related to the catalysts. To address these issues, novel catalyst preparation techniques to incorporate the variety of active sites over the matrix surface have been employed in the literature, which will be highlighted in detail in the present review article.     

预处理方法对Ru/SBA-15催化丙三醇氢解反应性能的影响(英)

使用浸渍法结合不同预处理方法制备了一系列的Ru/SBA-15催化剂,并将其应用于丙三醇氢解反应中.使用N₂吸附-脱附、X射线衍射、CO化学吸附以及透射电子显微镜等方法对所制备Ru/SBA-15进行了表征.结果表明,催化剂前驱体经过空气焙烧后再经H₂还原的Ru/SBA-15催化剂上Ru的分散度较低,而直接使用H₂处理较高.同时,随着H₂还原温度提高,Ru分散度逐渐降低.保持反应活性接近时,随着Ru分散度的降低,TOF增加.表明Ru/SBA-15催化剂上丙三醇氢解是结构敏感反应.     

高选择性和稳定性的CsPW/Nb2O5催化剂用于甘油脱水制备丙烯醛（英文）

以磷钨酸铯盐Cs2.5H0.5PW12O40(CsPW)为活性组分,负载到Nb2O5载体上,并用于甘油脱水制备丙烯醛的反应中.通过调节焙烧温度(400–700°C)以及活性组分负载量(5儃60 wt%),对催化剂酸性进行调节.CsPW负载量为20 wt%,500°C焙烧的CsPW/Nb2O5催化剂性能最佳,甘油转化率为96%,丙烯醛选择性为80%,反应10 h内没有失活现象,并且该催化剂具有良好的热稳定性,可通过烧炭进行再生.     

Synthesis and hydrolytic degradation of poly (glycerol succinate) based polyesters

The limited availability of petroleum resources motivates the research towards value-added products production from bio-resources. This study reports the synthesis of glycerol and succinic acid-based polyesters and their detailed characterization. The modification of poly (glycerol succinate) was done by using other diacids like glutaric acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, and dodecanedioic acid. The sysnthesized polyesters were characterized using various techniques such as thermogravimetric analysis (TGA), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Nuclear magnetic resonance (NMR), differential scanning calorimetry (DSC), and scanning electron microscopy (SEM). The addition of different dicarboxylic acids to poly (glycerol succinate) based co-polyesters increased the thermal stability of poly (Glycerol succinate). Glass transition temperatures were obtained in the range of ?17.2 to ?22.5 °C and it increased with chain length. The progress of reaction was monitored by determining acid number, ester number, and degree of esterification. The hydrolytic degradation of polyesters was carried out in acidic and basic medium. The polyesters was found to degrade under basic conditions whereas no weight loss of poly (glycerol succinate) was found under acidic conditions. Particularly, about 40% of poly (glycerol succinate) was degraded within 24 h under basic conditions (pH = 12). The analysis of morphology of polyesters during degradation showed that the increase in hydrolysis time increased the heterogeneity in polyester matrix.     

Acid activated montmorillonite and vermiculite clays as dehydration and cracking catalysts

Treatment of montmorillonite and vermiculite with hydrochloric acid results in an overall increase in acidity and acidic sites. IR and DSC studies of base adsorbed catalysts have revealed the heterogeneity of surface acidity on the activated catalysts. Clay catalysts have been found to dehydrate 1-butanol to 1-butene, which directly isomerizes tocis- andtrans-2-butenes, confirming the presence of Lewis and Brönsted acid sites. Cumene cracking studies using the clay catalyst also confirm the presence of Brönsted acid sites. The temperature and concentration of acid have been found to have a significant influence on the catalytic activity.     

Micro-Raman studies on the conformational behaviors of monosodium glutamate in dehydration process

The conformational behaviors of monosodium glutamate（MSG） in a dehydration process were studied by Micro-Raman spectroscopy in combination with Hartree-Fock calculations using 6-31+G^* method.The dehydration process of the MSG droplet was performed by decreasing the ambient relative humidity（RH）.The intensity ratio of the 935 cm^-1 band to 884 cm^-1 band(I₉₃₅/ I₈₈₄) kept decreasing when RH decreased.By optimizing the geometries with different fixed dihedral angles,the downtrend of(I₉₃₅/ I₈₈₄) is found to be due to the reduction of MSG molecular volume.