生物基丁二酸高效加氢定向制备1,4-丁二醇催化剂理性构建与构效关系研究

The catalytic conversion of fermentation-derived compounds to commodity chemicals is an effective way to promote the high value-added utilization of biomass, which is considered as a cutting-edge area in green chemical engineering. This project will focus on the critical scientific issues concerning the conversion of bio-succinic acid to 1,4-butanediol and carry out systematic study on the multifunctional catalyst design and its use in the catalytic conversion of bio-succinic acid to 1,4-butanediol under mild conditions. A variety of characterization methods including XRD, TEM, SEM, chemical sorption and physical sorption, will be introduced to study the nature of the catalyst. The catalyst preparation methods will be optimized by investigating the effects of the catalyst composition, microstructure and the surface properties on the catalytic activity,selectivity and stability in the transformation of succinic acid to 1,4-butanediol. In order to disclose the reaction pathway and the mechanism, the non-steady-state species and the surface-adsorbed species will be identified. Combined with the density functional theory calculation, the design of the microscopic structure will be carried out at molecular/atomic level to establish more effective catalytic systems and provide theoretical basis for the activation and conversion of succinic acid.

通过化学催化技术，将生物发酵产品转化为高附加值化学品，是生物质高值化利用的有效途径，也是当前绿色化工的前沿领域。丁二酸是可以通过生物发酵技术高效制备的二元酸，可通过选择加氢制得重要化学品1,4-丁二醇。本项目基于丁二酸催化加氢过程的关键问题，拟开展丁二酸温和条件下水相选择加氢制备1,4-丁二醇的高效催化剂理性构建及其构效关系研究。通过设计和制备具有选择性加氢活性中心和适宜酸性位的多功能复合纳米催化剂，优化匹配加氢活性位和酸性位，在高效活化羧基加氢的同时，减少羟基的脱除，实现丁二酸在温和条件下的高效定向转化；结合多种表征手段阐明催化剂活性中心组成、形貌结构对催化剂活性和选择性的响应机制；关联催化剂结构与催化性能，明晰催化剂活性组分间的协同作用机理。同时，借助对非稳定态物种、催化剂表面吸附态物种的鉴别，阐释丁二酸加氢反应的路径和机理，为构建二元酸加氢活化和转化的新型催化剂提供理论基础。

通过化学催化技术，将生物发酵产品转化为高附加值化学品，是生物质高值化利用的有效途径，也是当前绿色化工的前沿领域。丁二酸是可以通过生物发酵技术高效制备的二元酸，可通过选择加氢制得重要化学品1,4-丁二醇。本项目基于丁二酸催化加氢过程的关键问题，开展了丁二酸温和条件下水相选择加氢制备1,4-丁二醇的研究，理性构建高效催化剂并研究其构效关系。结合多种表征手段阐明催化剂活性中心组成、形貌结构对催化剂活性和选择性的响应机制；关联催化剂结构与催化性能，明晰催化剂活性组分间的协同作用机理。成功制备了具有特定组成、结构和尺寸的多金属复合催化剂Pd-FeOx/C，可以实现温和条件下高效催化丁二酸一步加氢制备丁二醇，丁二醇收率最高可以达到70%以上。Fe 的加入显著增强了催化剂的酸性，同时一定程度上保持了金属的分散性，增强了催化剂对丁二酸加氢反应的活性。另一方面，加入的 FeOx物种与Pd 金属和活性炭载体之间存在一定的相互作用，促进了丁二酸的一步加氢生成 1,4-丁二醇。根据催化剂表征结果与催化剂评价数据，我们揭示了在Pd-FeOx/C催化剂下的丁二酸水相加氢的反应网络。本项目发表SCI论文4篇，申请中国发明专利4项，获得中国发明专利授权2项，培养博士研究生3名，硕士研究生1名。在高效选择性加氢催化剂和催化反应研究中的理论积累，用于指导1,3-丁二醇生产新工艺的研究开发，实现新工艺技术的转化应用1项。