衣康酸常压加氢转化制取γ-丁内酯的研究

The catalytic conversion of itaconic acid from biomass fermentation to various products can promote the efficient combination the method of chemical conversion and biological fermentation and increase the high value-added utilization of itaconic acid. γ-Butyrolactone is a versatile fine chemicals and potential liquid fuel additives. Therefore, the using of catalytic technology to efficiently convert the itaconic acid to γ-butyrolactone, not only has important scientific significance, but also have broad application prospects. This project intends to conduct the efficient catalytic conversion of itaconic acid to γ-butyrolactone at atmospheric pressure according to the key issues of conversion process. Multifunctional composite nano-catalysts are planned to be developed containing hydrogenation activity center, providing hydrogen center in situ and acid center. In the meantime, it is need to study the relationship between the catalytic structure and performance, and to provide the scientific basis for developing new catalytic systems of hydrogenation of biomass-based organic acids.

利用催化转化技术，将生物质发酵获取的衣康酸高效转化为下游产品，使化学转化与生物发酵法有机结合，提高衣康酸的高附加值利用。γ-丁内酯是一种用途广泛的精细化学品和潜在的液体燃料添加剂，利用催化技术将衣康酸高效转化为γ-丁内酯，不仅具有重要的科学研究意义，也有广阔的应用前景。本项目根据衣康酸加氢制取γ-丁内酯转化过程的关键问题，拟开展衣康酸常压高效催化转化制备γ-丁内酯的研究。通过设计和制备具有加氢活性中心、原位供氢催化功能中心和酸性位的多功能复合纳米催化剂，实现衣康酸温和条件下的高效转化。同时探索衣康酸加氢转化中反应规律与催化剂之间的构效关系，为开发有机酸加氢催化剂新体系提供科学依据。

经过三年研究探索，本项目按照原计划执行，并完成对该项目的研究。在有机酸加氢反应的背景下，进行了催化新体系建立、探索催化加氢机理和加氢规律，开发了多个催化体系。利用催化转化技术制备衣康酸下游产品，扩展衣康酸的转化途径和提高其高附加值化利用，具有重要的研究意义。根据加氢反应的特点，我们设计并合成了Zr修饰的短孔道结构的硅纳米球，并且进一步负载Ru形成复合催化体系（Ru/MSN-Zr）。高温热烧结和循环使用实验表明，Ru/MSN-Zr 具有良好的热稳定性和反应稳定性。根据有机酸对催化剂的耐酸稳定性有较高的要求，我们采用碳热还原技术制备Ru催化材料。该技术除了将催化剂金属活性物种还原外，也使碳载体表面发生改变，加强了载体和金属的相关作用，从而提高催化剂的耐酸稳定性。催化剂在衣康酸水溶液加氢反应的多次循环实验后，依然保持较好的稳定性，同时金属粒子大小和催化剂上的金属含量变化不大。通过衣康酸加氢转化实验以及采用质谱等手段获得了反应中间物种为甲基丁二酸及其酸酐，因此对中间物种进行了系列实验探究，为进一步设计性能更加优异的能使中间物种深度加氢转化的催化剂提供了依据。在本项目资助下，完成研究论文6篇，其中5篇为SCI收录论文；申请发明专利18件，授权专利2件；在项目实施期间，培养博士研究生3名。