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南京工業大學能源科學與工程學院王芬芬副教授團隊通過合成稀土元素釔改性的兼具路易斯酸和布朗斯特酸位的復合金屬氧化物多功能固體酸催化劑,并將其用于選擇性催化轉化生物質資源纖維素為平臺化學品乳酸。通過稀土釔改性提升了反應過程中纖維素降解產物葡萄糖的異構化和逆羥醛縮合反應的效率,最終提高了乳酸的選擇性,并對反應機理進行了研究。
圖1. Y2O3/Al2O3催化轉化纖維素制乳酸反應機理 乳酸是三大有機酸之一,作為一種用途很廣泛的精細化學品,不僅可以作為工業pH調節劑、涂層合成劑、有機除垢劑等許多工業用品的原料,也是一種可以應用于飲料、乳制品、醫藥、護膚品等生活用品行業的產品。近些年來,乳酸在世界范圍內的產量約為120 kt/年,具有廣闊的商業應用價值。 纖維素作為一種可再生的生物質原料,來源廣泛,生物質資源的綜合利用對綠色可持續發展和實現碳中和具有重要意義,將生物質中含量最為豐富的纖維素轉化成高附加值平臺化學品和液體燃料已經成為綠色化學的研究熱點。但是纖維素分子中含有大量氫鍵,結構高度穩定,使得纖維素在水和一些有機溶劑中很難溶解,并且纖維素分子中C-C鍵和C-O鍵的鍵能不同,這使得在發生反應時很難高選擇性地生成一種產物。因此,在相對溫和的條件下將纖維素定向轉化為小分子平臺化學品是一件具有挑戰性的任務。 針對以上問題,該團隊通過設計一系列釔改性的復合金屬氧化物固體催化劑,實現在綠色溶劑水相條件下將纖維素“一鍋法”直接高選擇性轉化為乳酸。在240 ℃,反應30分鐘后,乳酸的產率可高達72.8%,主要在于催化劑中釔活性位點和載體γ-Al2O3之間強烈的相互作用,通過調控催化劑中B酸和L酸的比例,以及催化劑表面合適的酸量,實現了從纖維素到乳酸高效高選擇性地轉化為乳酸。該催化劑制備方法簡單,生產成本較低,而且循環5次后催化劑的活性沒有發生明顯的變化。 論文信息 Rare-Earth Metal Yttrium-Modified Composite Metal Oxide Catalysts for High Selectivity Synthesis of Biomass-Derived Lactic Acid from Cellulose Wendi Dong, Man Ou, Dongxue Qu, Xingshan Shi, Ming Guo, Guojun Liu, Shaoshuai Wang, Prof. Fenfen Wang, Prof. Yuhui Chen 文章第一作者為碩士研究生董文迪 ChemCatChem

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