葡萄糖氢解制备丙二醇的新型单原子催化剂研究

Catalytic conversion of glucose based biomass into propanediol (PDO) well accords with our country’s industry development trend and be regarded as an environmental benign route. It is of great significance to alleviate consumption of fossil energy, promote economic and environmental sustainable development. In this project, We focus on the drawbacks of present research and key issues, including serious coking of glucose under high concentration leading to low PDO selectivity, and the harsh conditions, the uncertain mechanism to promote reaction efficiency and selectivity, we will develop novel single-atom catalysts and optimize reaction conditions(in-situ production of H2 by screening solvent and metal ) to inhibit the coking of glucose and couple all the reaction steps including isomerization, retro-aldol condensation, hydrogenation. On the basis of catalysts design, further study on the reaction pathway and kinetic of the reaction will be made. Moreover, the interaction between the intermediates and the active sites on catalysts will be monitored by in-situ Raman spectroscopy, EXAFS et al, trying to understand the response mechanism of catalyst active sites and products selectivity in molecular level. The conclusions from this research will provide theoretic and technical guidance for the catalytic conversion of other sugar alcohols based biomass.

葡萄糖基生物质催化转化制大宗能源化学品丙二醇是一条减少石化能源资源消耗且符合我国行业发展需要的绿色、环保路线，对实现经济与环境可持续发展具有重要意义。本项目围绕葡萄糖选择性氢解制丙二醇这一反应，针对目前体系中存在的催化反应效率低、选择性差，高温高压的苛刻反应条件及反应机理不明晰等问题，着力通过单原子新型催化剂的设计制备和反应工艺的设计优化（通过产氢溶剂和金属的筛选实现原位产氢），来抑制葡萄糖的结焦反应并实现温和条件下异构化反应、逆羟醛缩合反应及加氢反应的平衡与耦合，从而提高催化效率和产物选择性。在此基础上，建立反应路线图，研究反应的宏观动力学，并利用原位拉曼光谱, 外延X射线吸收精细谱等手段研究反应过程中催化剂活性中心与反应中间物种的作用方式，尝试从分子角度上理解催化剂活性中心和产物选择性之间的应答机制，进而为其他糖醇类化合物的选择性转化提供理论指导和技术支持。

葡萄糖基生物质催化转化制大宗能源化学品丙二醇是一条减少石化能源资源消耗且符合我国行业发展需要的绿色、环保路线，对实现经济与环境可持续发展具有重要意义。本项目围绕葡萄糖选择性氢解制备丙二醇这一反应，针对目前体系中存在的催化反应效率低、选择性差，高温高压的苛刻反应条件及反应机理不明晰等问题，通过单原子新型催化剂的设计制备和反应工艺的设计优化，从而提高催化效率和产物选择性。研究内容包括：（一）高分散Pt/WOx/Al2O3催化剂合成与葡萄糖制1,2-丙二醇反应性能。发现以纳米氧化铝为载体，可以获得最优的1,2-丙二醇的转化率和选择性（100%转化率和56%的1,2-丙二醇的选择性）（二）发展出系列高分散的Pt/FeOx基新型催化剂。在2%Pt/NiFeOx催化剂上实现1,2-丙二醇收率60%以上；该系列FeOx基催化剂具有良好的水热稳定性和抗高温高压活性，极具应用潜力。（三）将M-N-C（M包括Fe, Co, Ni）催化剂应用于葡萄糖氢解制备丙二醇的反应中，其中Ni-N-C催化剂可选择性的生成更多价格更高的1,3-丙二醇，选择性高达30%，具体深层次原因有待进一步探索。（四）反应原料由葡萄糖拓展到纤维素，木糖等成分以构建较为全面的反应路径，发现Pt/WOx/Al2O3催化剂具有良好的底物适应性，初步判断该催化剂上葡萄糖经由异构化到果糖然后氢解到1,2-丙二醇。这些研究工作，为深入认识葡萄糖催化转化制丙二醇反应以及该技术的工业应用提供了很好的科学依据和理论指导。