乙醇制1,3-丁二烯过程Mg-Si-O催化剂催化羟醛缩合机理研究

1,3-Butadiene (BD) is an important organic chemical raw material. With the development of the bio-ethanol production technology, great attention has been paid to the process of ethanol to butadiene (ETB) because of its sustainability and environmental friendliness. The aldol condensation reaction has been proposed as the key step in the reaction network of ETB. Mg-Si-O catalysts has been utilized for ETB conversion with good catalytic performance.However, there are few reports on the relationship between structure and activity of Mg-Si-O catalysts as for aldol condensation reaction at present. In this project, the molecular simulation coupled with experimental method will be used to study the microstructure features, Mg-Si-O model will be built based on electronic structure and acid-base properties of the surface active sites on Mg-Si-O catalysts to reveal the reaction mechanism of aldol condensation on Mg-Si-O catalysts, aldehyde adsorption and activation mechanism on Mg-Si-O catalysts with special coordination structure. In particular, the relationship between base sites on the surface of Mg-Si-O catalysts and its catalytic performance will be systematically investigated. The interaction between MgO and SiO2 and their synergistic effect on aldol condensation reaction will be elucidated. This project will provide theoretical supports for the development of highly effective catalysts for ETB.

1,3-丁二烯是重要的有机化工原料。以生物乙醇为原料生产1,3-丁二烯过程由于其可持续性以及环境友好性受到广泛关注。羟醛缩合反应是乙醇制丁二烯过程中的关键步骤。根据目前的文献报道，Mg-Si-O体系对乙醇制备丁二烯有良好的催化效果，但是有关Mg-Si-O催化羟醛缩合反应的构效关系研究国内外少有研究。本项目通过分子模拟和实验相结合的方法，建立了Mg-Si-O催化剂模型；考察具有特殊配位结构的Mg-Si-O催化剂表面活性中心的结构特性、电子特性以及酸碱性质；探究Mg-Si-O催化剂表面碱性位催化羟醛缩合的催化机理；揭示乙醛在具有特殊配位结构的Mg-Si-O表面的吸附作用及活化机制；明确Mg-Si-O系列催化剂表面碱性与催化剂性能的关系。阐明MgO与SiO2之间的相互作用以及二者之间的协同催化作用对羟醛缩合反应的影响。本项目将对ETB过程催化剂开发工作提供科学的理论依据。

丁二烯是一种重要的化工原料，目前主要的生产方法为 C4 副产抽提法，丁二烯作为一种乙烯生产路线的副产物，产能并不稳定。生物乙醇制备丁二烯的生产路线 ， 有望补充丁二烯的产能不足。生物质乙醇生产丁二烯，除了具有技术和经济可行性外，对于可再生资源的下游产品开发，也具有极高的战略意义和研究价值。Mg-Si-O体系对乙醇制备丁二烯有良好的催化效果，尤其是助剂添加的Mg-Si-O催化剂体系。近年来国内外文献关于乙醇法制备丁二烯过程构效关系的研究主要集中在乙醇制丁二烯催化反应机理，从微观层面剖析催化剂结构特性与反应效果的关系，但是有关Mg-Si-O催化羟醛缩合反应的构效关系研究国内外少有研究。本项目通过分子模拟和实验相结合的方法，建立了Mg-Si-O催化剂模型；考察具有特殊配位结构的Mg-Si-O催化剂表面活性中心的结构特性、电子特性以及酸碱性质；探明了Mg-Si-O催化剂表面碱性位催化羟醛缩合的催化机理；揭示出乙醛在具有特殊配位结构的Mg-Si-O表面的吸附作用及活化机制；明确Mg-Si-O系列催化剂表面碱性与催化剂性能的关系。阐明MgO与SiO2之间的相互作用以及二者之间的协同催化作用对羟醛缩合反应的影响。本项目将的研究结果使我们系统地认识Mg-Si-O系列催化剂的构效关系，能够为进一步提升Mg-Si-O催化剂性能提供指导意义。在三年的研究过程中，有关研究结果已在SCI期刊发表论文4篇，项目负责人参加学术会议1次，培养博士生1名，硕士生2名。