基于C-O键选择断裂合成生物基C5二元醇的分子筛封装金属催化剂的研制

Levulinic acid and furfural are important bio-based platform compounds; their products C5 diols have wide application in polyester industry. Study on transformation of levulinic acid and furfural contributes to development of bio-based polyester. This project focuses on develop high selective, stable novel catalyst for production of C5 diols, further explore the selective cleavage of different C-O bonds. Facing the poor selectivity, poor stability of catalyst in transformation of levulinic acid and furfural, we combine the fine fabrication of atomic layer deposition and the stabilization of metal nanoparticles in zeolites to prepare zeolites encapsulated metal catalysts. We will study the effects of component, structure, acidity/basicity, heteroatom of zeolites and metals on catalytic activity, selectivity and catalyst stability, illustrate the synergistic effect of metal and zeolites on the selective cleavage of different C-O bonds and protection of zeolites on metal, guide the routinely batch preparation of zeolites encapsulated metal catalysts. This project is expected to establish high efficient catalysts for transformation of levulinic acid and furfural to C5 diols, thus providing scientific foundation for selective conversion of bio-based platform compounds and stabilization of metal nanoparticles.

乙酰丙酸、糠醛是重要的生物基平台化合物，其产物C5二元醇在聚酯工业中有很高的应用价值，研究该催化转化过程有助于推动生物基聚酯行业的发展。本项目旨在研究和开发乙酰丙酸、糠醛制备C5二元醇的高选择性、高稳定性的新型催化剂，并探讨催化过程中不同类型C-O键的选择性断裂机制。针对乙酰丙酸、糠醛液相催化反应中二元醇选择性差、金属催化剂易流失失活的问题，将原子层沉积的精细制备与多级孔分子筛稳定金属纳米颗粒的特性相结合，制备分子筛封装金属模型催化剂，系统认识分子筛的组成、结构、酸碱性、杂原子、金属等因素与催化活性、选择性、稳定性的关系；阐明金属与分子筛协同作用选择性断裂C-O键的机制以及分子筛对金属的保护作用；以优化的模型催化剂指导分子筛封装金属催化剂的批量常规制备。建立乙酰丙酸、糠醛选择转化制备C5二元醇的高效催化体系，为提高生物基平台化合物催化转化反应的选择性和纳米金属催化剂的稳定性提供科学基础。

化学键的选择性活化与转化是实现定向催化合成的关键。生物质基平台化合物富含氧，并以不同形式的C-O和C=O键存在。从可再生的生物基碳氧资源出发，在高原子经济地利用其特殊碳氧分子结构的基础上，发展简便、高效、高选择性的催化制备生物基油品和聚酯单体的新技术具有重要的研究意义和潜在的应用价值。本项目针对生物基平台化合物C-O键转化过程中存在选择性不够理想、催化剂寿命短等不足，从多级孔分子筛的设计合成出发，实现多级孔分子筛封装的金属团簇双功能催化剂的可控与高效制备，进而系统研究多级孔分子筛封装金属催化材料的孔结构、金属尺寸、金属与分子筛协同等特点与催化活性、选择性以及催化剂稳定性之间的关系，揭示其构效关系，发展出催化效率高、稳定性好的新一代双功能多孔催化材料，在此基础上发展了一系列固体碱-金属双功能催化剂、高分散乃至单原子分散的非贵金属催化剂，构建其催化的生物基平台化合物乙酰丙酸、呋喃类化合物开环加氢的高效催化反应新体系，为解决现有金属催化剂存在的活性位点不均，稳定性差等问题提供新的思路和科学基础。. 相关研究成果在Chem, Nature Communications, ACS Catalysis, Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Catalysis, Chinese Journal of Catalysis等高水平期刊发表研究论文8篇，撰写专著《羰基化学》1章节，授权发明专利2件，申请发明专利8件，孵化的两项催化技术正在企业推广应用。