中国矿业大学化工学院曹景沛课题组在生物质温和加氢转化领域取得系列进展

生物质作为一种重要的可再生资源,对其有效开发利用已被各国看作是替代化石能源制备高附加值燃料与化学品的重要途径。木质素作为木质纤维素生物质中三大主要成分之一,是唯一大量可再生的芳香族或环烷烃等化学品来源,通过催化加氢途径转化木质素等生物质备受研究者关注。目前,木质素及其衍生物的催化加氢转化条件较为苛刻,如高温和高压等。最近,我校化工学院江苏省碳资源精细化利用工程研究中心曹景沛课题组基于生物质温和加氢转化目标,在该领域研究取得系列进展。

在低温以至于室温下实现木质素衍生物的芳环加氢仍是一个重要挑战。课题组采用简单的方法制备了一系列Ru基催化剂,用于木质素衍生物的加氢反应,结果表明制备的Ru负载α-Al2O3催化剂(Ru/α-Al2O3)可在室温下有效催化木质素衍生物的芳环加氢,同一条件下,商业Pd/C无活性,制备的Ru/C和Ru/γ-Al2O3等活性极低。多种表征技术包括X-ray absorption spectra(XAS),Density functional theory calculations(DFT),Transmission electron microscopy(TEM),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)等用于揭示催化剂结构和性能之间的构效关系。研究成果以“Catalytic hydrogenation of aromatic ring over ruthenium nanoparticles supported on α-Al2O3 at room temperature”(DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121137)为题发表在ELSEVIER旗下高影响力期刊Applied Catalysis B: Environmental(中科院1区TOP期刊,最新影响因子19.503)。化工学院博士生江玮为第一作者,曹景沛教授为论文通讯作者,中国矿业大学作为第一署名单位。

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木质素衍生芳基醚是生产增值化学品的重要平台之一,而C-O醚键的选择性裂解是关键步骤。基于此,课题组研究了金属磷化物催化木质素衍生物二苯醚在含水溶剂中的转化。研究发现Pd-P催化剂可以促进二芳基醚的部分加氢,通过引入Ni原子可以增强催化剂断裂C-O键能力,并通过吸附OH*来加速水的解离。三元金属磷化物(Pd-Ni-P)可以通过部分加氢-还原水解-加氢的串联途径催化二苯醚转化,生成高产率的环己醇。几种木质素衍生的芳基醚也可以遵循相同的反应途径以高产率得到环己醇类产物。研究成果以“Water-involved Tandem Conversion of Aryl Ethers to Alcohols over Metal Phosphide Catalyst”(DOI: 10.1016/j.cej.2022.134911)为题发表在ELSEVIER旗下高影响力期刊Chemical Engineering Journal(中科院1区TOP期刊,最新影响因子13.273)。化工学院赵明老师与硕士生赵亮为共同第一作者,赵明老师和曹景沛教授为论文共同通讯作者,中国矿业大学作为第一署名单位。

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在木质素C-O键的选择性氢解研究方向上,课题组通过一般的主客体和还原策略制备了锚定在功能化金属有机骨架ZIF-8中高度分散的钌金属催化剂。具有高比表面积的Ru@ZIF-8催化剂可以在温和条件下有效促进多种木质素模型化合物的C-O键氢解。与报道的研究相比,Ru@ZIF-8催化剂中极低的金属Ru负载量实现了相对较高的活性,其稳定性也较高。研究成果以“MOF-derived Ru@ZIF-8 catalyst with the extremely low metal Ru loading for selective hydrogenolysis of C-O bonds in lignin model compounds under mild conditions”(DOI: 10.1039/d1cy01787j)为题发表在RSC旗下著名催化期刊Catalysis Science & Technology,并被选为封底论文。

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同时,在木质素中C-O键的选择性裂解方向上,课题组采用金属与酸性分子筛HZSM-5载体相结合的方法制备了含有大量酸性位点的Ru/HZSM-5催化剂。以二苯醚作为木质素的典型模型化合物,在温和条件下,Ru/HZSM-5催化剂通过加氢脱氧的方式可完全转化二苯醚为唯一产物环己烷。而且,该催化剂也可以有效去除木质素和其他模型化合物中的氧原子,将底物转化为无氧燃料和化学品。研究成果以“Catalytic Hydrodeoxygenation of Lignin and Its Model Compounds to Hydrocarbon Fuels over a Metal/Acid Ru/HZSM-5 Catalyst”(DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c03169)为题发表在ACS旗下著名能源化工期刊Energy & Fuels。

课题组结合水热法和浸渍法,成功制备了具有大比表面积、大平均孔径和更多外孔的双功能金属/酸Ru/SHZSM-5-100(Ru/SHZ5-100)催化剂。制备的Ru/SHZ5-100催化剂在更加温和的条件下对木质素衍生的二苯醚表现出最佳的加氢脱氧性能。研究结果表明,二苯醚首先被直接加氢成氧二环己烷,然后迅速转化为目标产物环己烷。此催化剂与商业分子筛HZSM-5负载Ru催化剂表现出不同的反应路径。在该反应体系中,其他木质素模型化合物也可以通过Ru/SHZ5-100成功转化为相应的环烷烃。研究成果以“Hydrodeoxygenation of Lignin-Derived Diphenyl Ether to Cyclohexane over a Bifunctional Ru Supported on Synthesis HZSM-5 Catalyst under Mild Conditions”(DOI: 10.1021/acs.iecr.1c03595)为题发表在三大化工期刊之一的ACS旗下Industrial & Engineering Chemistry Research。

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后续,对分子筛HZSM-5的改性处理过程中,课题组成功构建了金属Ga掺杂的HZSM-5负载金属Ru催化剂(双功能Ru/Ga-HZSM-5),该催化剂比不掺杂Ga表现出更优异的加氢脱氧性能,可将二苯醚转化为唯一产物环己烷,表征结果显示Ga的掺杂显着增强了金属Ru与载体之间的相互作用。对于真实木质素的解聚,Ru/Ga-HZSM-5不仅可以显著提高木质素的总液体收率,还可以将含氧物质转化为无氧化学品和燃料。研究成果以“Hydrodeoxygenation of lignin and its model compounds to hydrocarbon fuels over a bifunctional Ga-doped HZSM-5 supported metal Ru catalyst”(DOI: 10.1016/j.apcata.2022.118516)为题发表在ELSEVIER旗下著名应用催化期刊Applied Catalysis A: General。

中国矿业大学化工学院曹景沛课题组在生物质温和加氢转化领域取得系列进展

 

以上四篇论文化工学院博士生江玮为第一作者,曹景沛教授为论文通讯作者,中国矿业大学作为第一署名单位。研究得到了国家重点研发计划(2017YFE0124200)、国家自然科学基金(21978317、22178375)、江苏省自然科学基金(BK20200028)、中央高校基本科研业务费专项资金(2021YCPY0201)和江苏省高等学校重点学科建设等的支持。相关研究成果也已申请并授权了中国发明专利(ZL201911337318.8、ZL202110390286.9、ZL202110285319.3、ZL202110513048.2、ZL202110376007.3、ZL202110506811.9、2021105068053)。

新闻来源:化工学院 江玮摄影:责任编辑:李秀审核:刘尧

本文转载中国矿业大学。文章为作者独立观点,不代表即刻学术立场,转载请联系原作者。

原文链接:http://xwzx.cumt.edu.cn/6a/9b/c513a617115/page.htm

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