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南京工业大学能源科学与工程学院王芬芬副教授团队通过合成稀土元素钇改性的兼具路易斯酸和布朗斯特酸位的复合金属氧化物多功能固体酸催化剂,并将其用于选择性催化转化生物质资源纤维素为平台化学品乳酸。通过稀土钇改性提升了反应过程中纤维素降解产物葡萄糖的异构化和逆羟醛缩合反应的效率,最终提高了乳酸的选择性,并对反应机理进行了研究。
图1. Y2O3/Al2O3催化转化纤维素制乳酸反应机理 乳酸是三大有机酸之一,作为一种用途很广泛的精细化学品,不仅可以作为工业pH调节剂、涂层合成剂、有机除垢剂等许多工业用品的原料,也是一种可以应用于饮料、乳制品、医药、护肤品等生活用品行业的产品。近些年来,乳酸在世界范围内的产量约为120 kt/年,具有广阔的商业应用价值。 纤维素作为一种可再生的生物质原料,来源广泛,生物质资源的综合利用对绿色可持续发展和实现碳中和具有重要意义,将生物质中含量最为丰富的纤维素转化成高附加值平台化学品和液体燃料已经成为绿色化学的研究热点。但是纤维素分子中含有大量氢键,结构高度稳定,使得纤维素在水和一些有机溶剂中很难溶解,并且纤维素分子中C-C键和C-O键的键能不同,这使得在发生反应时很难高选择性地生成一种产物。因此,在相对温和的条件下将纤维素定向转化为小分子平台化学品是一件具有挑战性的任务。 针对以上问题,该团队通过设计一系列钇改性的复合金属氧化物固体催化剂,实现在绿色溶剂水相条件下将纤维素“一锅法”直接高选择性转化为乳酸。在240 ℃,反应30分钟后,乳酸的产率可高达72.8%,主要在于催化剂中钇活性位点和载体γ-Al2O3之间强烈的相互作用,通过调控催化剂中B酸和L酸的比例,以及催化剂表面合适的酸量,实现了从纤维素到乳酸高效高选择性地转化为乳酸。该催化剂制备方法简单,生产成本较低,而且循环5次后催化剂的活性没有发生明显的变化。 论文信息 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 文章第一作者为硕士研究生董文迪 ChemCatChem

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