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    我所構筑分子篩雙功能催化劑實現高效制備生物燃油

      近日,我所催化與新材料研究室張濤院士、羅文豪副研究員團隊和荷蘭烏特勒支大學Bert M.Weckhuysen教授合作,設計并構筑具有金屬-酸“限域毗鄰”結構的分子篩雙功能催化劑,實現了無溶劑體系下由纖維素醇解平臺分子乙酰丙酸乙酯“一鍋法”高效制備戊酸酯類生物燃油的新路線。

      非糧生物質是一種優質和豐富的可再生碳質資源,可替代傳統化石能源生產燃料和化學品。木質纖維素衍生的戊酸酯類生物燃油因其優異的油品性能和兼容性,被認為是新一代高性能生物燃油。制備該生物燃油對減少傳統非可再生化石能源的依賴和落實碳達峰、碳中和戰略任務具有重要意義。

      雙功能催化劑的精準構筑和活性位協同作用機制是生物質催化領域的研究前沿(Nat. Commun.,2015;Green Chem.,2017;Green Chem.,2019;J. Catal.,2019; ACS. Catal.,2021)。其在生物質催化轉化領域應用的核心挑戰在于:催化劑合成中往往缺乏在納米尺度的雙功能活性位的精準構筑及其協同作用機制;基于低反應底物濃度的高性能在生物質催化過程中無法實現有效應用;以及極易忽略的生物質轉化過程中液相水熱等苛刻環境中的催化劑穩定性等問題。

      本工作發展出Y型分子篩限域的釕基雙功能催化劑,結合多種光譜和電鏡表征、探針分子實驗證實了金屬-酸活性中心在分子篩內部“限域毗鄰”結構的精準定制。在催化劑性能上,對比不具備金屬-酸活性“限域毗鄰”結構的其他金屬/分子篩或金屬-分子篩簡單機械混合的雙功能催化劑,優選催化劑在乙酰丙酸乙酯催化轉化活性和戊酸酯的收率上呈現至少一個數量級以上的增長,并遠遠優于目前文獻報道催化劑的性能最高值。金屬-酸活性位的“限域毗鄰”結構是實現乙酰丙酸乙酯高效加氫脫氧制備戊酸酯的關鍵。此外,Ru/La-Y催化劑中稀土La的引入可進一步促進金屬Ru在分子篩孔道內分散,并且穩定分子篩的骨架結構,有效抑制了液相反應過程中的分子篩骨架結構坍塌,維持了分子篩內“限域毗鄰”活性結構,實現該催化劑優異的穩定性。該工作將分子篩催化中“越近越好”這一概念首次延伸至生物質催化領域,分子篩定制的“限域毗鄰”結構實現“一鍋法”高效耦合系列催化反應,并將推動工業化生產生物燃油的發展。

      相關成果以“Zeolite-Tailored Active Site Proximity for the Efficient Production of Pentanoic Biofuels”為題,于近日發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。該工作的第一作者是我所1502組博士研究生何江,中國石油大學(北京)吳志杰教授、我所1502組博士后顧青青。該工作得到科技部重點研發項目、國家自然科學基金、所研究基金等項目的資助。(文/圖 何江、羅文豪)

      文章鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202108170

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