光催化选择性氧化生物柴油副产物甘油

生物柴油是一种绿色清洁可再生燃料，工业反应合成生物柴油的过程中，作为副产物的甘油大量生成。副产品甘油的合理有效利用是生物柴油生产企业的重大难题。利用光催化绿色技术，对甘油进行选择性氧化得到高附加值的大宗化工产品和精细化学品，既能变废为宝，又有利于生物柴油产业的可持续发展。本研究将系统考察具有不同形态的半导体氧化物、金属硫化物、复合型半导体化合物及过渡金属或染料修饰的半导体化合物对甘油光催化选择性氧化的性能，研究半导体表面结构对光催化性能的影响；详细表征甘油分子在光催化剂表面的吸附行为和化学状态。通过有效控制光催化剂表面结构及活性氧化物种的分布，调控光催化氧化甘油合成目标产物的选择性。通过理论量子化学计算，对甘油在光催化剂表面的吸附和反应过程进行机理研究，阐明在光催化剂表面上选择性氧化甘油反应过程的微观本质。本研究对于丰富光催化选择性氧化的理论及促进光催化技术的应用具有重大的理论和实际意义。

通过优化制备方法，选择不同的金属氧化物或硫化物的前驱体，合成了系列核壳结构半导体复合型光催化剂，石墨烯-半导体复合型光催化剂以及具备特殊形貌结构的半导体光催化剂。采用多种表征手段(XRD,DRS,XPS,SEM,TEM等)对催化剂的宏观和微观结构进行了系统表征。考察了这些催化剂在光催化选择性氧化醇类化合物反应方面的活性，通过光催化活性和光催化剂结构的关联，揭示了其调变规律。研究发现：通过控制反应条件，优化制备的大多数光催化剂在温和条件下，以分子氧作为氧化剂，对含单一羟基的醇类化合物均具备比较高的活性和选择性；而对含三个羟基的丙三醇(甘油)，大多数光催化剂具备一定的活性，但是选择性通常比较差。这主要是由于含有三个羟基的丙三醇在光催化反应条件下很容易产生非选择性氧化转化，取代了选择性氧化转化。经过不断的探索研究，发现具有花状球形结构的Bi2WO6半导体材料在水相条件下具备氧化甘油的高活性，且对单一目标产物二羟基丙酮具有高选择性(>90%)。我们的研究充分表明：通过控制反应条件，选择适合的基于半导体的特定形貌的功能材料，可实现有氧条件下对光催化选择性氧化不同醇类化合物的活性和选择性进行有效调控。