酸碱双功能介孔分子筛催化葡萄糖异构脱水合成5-HMF及其调控

The development and utilization of renewable biomass energy are one of the important choice to reduce the emission of carbon and to ensure international energy supply. It is the key technology for high value products to synthsize the 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) from glucose with selective control and to develop the catalyst and reactive process, based on the alternative fossil fuel by biomass. The bifunctional composite mesoporous catalysts with acid and base ,dotted or impregated by transition metals, will be designed and prepared in our application. It will be extensively studied that the changes of the stucture in body phase, surface, defect and coordination of active atom in the surface of catalyst give rise to the influence on the active sites of acid and base and the catalytic reactivity due to transition metals incorporated into the mesoporous materials.The reaction route of isomerization of glucose to synthesize 5-HMF is proposed to elucidate the relation between the structure and catalytic reactivity. The knowledge and mechanism of bond between glucose moleculars up to different composition and structure of catalysts are expected to be recognized. In addition, the preparative program and parameter of catalysts will also be proposed. As above, it will be used to design catalysts with high efficiency. The result will benefit to break through the choke point of the industrial utilization of biomass renewable energy，which is significant in science and industrial application.

生物质可再生能源的开发与利用是减少碳排放，确保世界能源供应安全的一种重要战略选择。研究葡萄糖合成5-羟甲基糠醛（5-HMF）及其调控机理，开发高效的催化剂和反应过程技术，是基于生物质制取可替代化石燃料和高附加值化工产品的关键。本项目拟设计和制备过渡金属掺杂、负载的酸碱双功能介孔分子筛复合催化剂，研究由于掺杂、负载引起的体相结构、表面结构、缺陷结构和表面活性原子的配位结构等变化对催化材料的酸碱活性中心与催化性能的影响，建立和研究葡萄糖异构脱水合成5-HMF可能的反应网络和动力学机理；获得葡萄糖组分分子间结合键在不同微差异催化剂组成和结构环境下的应答规律与机制；揭示葡萄糖异构脱水合成 5-HMF 与介孔催化剂的构效关系，制定催化剂的制备程序和条件，指导高效催化剂体系的设计。项目所取得的研究结果将有助于突破生物质可再生能源工业化利用的技术瓶颈，具有重要的科学意义和工业应用价值。

生物质可再生能源的开发与利用是减少碳排放，确保世界能源供应安全的一种重要战略选择。研究葡萄糖降解合成 5-羟甲基糠醛（5-HMF）及其调控机理，开发高效的催化剂和反应过程技术，是基于生物质制取可替代化石燃料和高附加值化工产品的关键。本项目利用不同的界面组装作用，使用不同的表面活性剂和无机物种形成特定的合成体系，合成出二维六方孔道结构的SBA-15和三维立体结构的KIT-6等不同结构，获得介孔材料的基本可控合成与制备方法。筛选出了用于催化葡萄糖降解合成5-HMF的Zr-KIT-6（20）催化剂，在优化的工艺条件下，葡萄糖的转化率达到了79.0%，5-HMF的产率达到了34.5%。利用红外和化学吸附技术证实了催化剂上存在B酸（Brönsted酸）中心，催化剂的总酸性增加，有利于提高葡萄糖的降解率，B酸量增加，有利于提高5-HMF的选择性。运用Gaussian软件系统地研究了无催化剂体系、Sn-KIT-6催化体系、Ti-KIT-6催化体系中葡萄糖脱水的反应路径，探索了KIT-6分子筛对及不同金属离子对分子筛催化活性的影响及其反应机理。选用密度泛函理论（DFT）在B3LYP水平上对反应物、过渡态、产物进行结构优化、频率分析，得到对应的稳定构型。提出了葡萄糖脱水合成5-HMF分为两个部分——葡萄糖异构为果糖，果糖脱三分子水生成5-HMF主要反应步骤，计算结果为催化降解葡萄糖合成5-HMF高效催化剂的设计提供指导。