生物质甘油催化选择氧化制丙酮酸催化剂和反应机理研究

本项目以探索生物质甘油氧化活化和定向转化过程中的科学问题为目的，以分子氧为氧源，开展甘油在水溶液选择氧化直接制取丙酮酸的研究。研究的主要内容为结合甘油分子的结构特点，通过选择合适的金属催化氧化功能组分和酸/碱金属氧化物催化脱水功能组分，设计构筑具有氧化和脱水双功能的核壳结构的纳米催化剂，利用氧化活性中心和脱水活性中心的协同作用，高选择性合成丙酮酸，并保持催化剂在反应过程中稳定性。考查核壳结构纳米催化剂的表面性质，微观结构以及内核直径和壳层厚度对催化性能的影响规律，加深对甘油水溶液催化选择氧化本质的认识。运用多种表征手段和理论计算方法，从分子水平上揭示甘油选择氧化制丙酮酸的反应机理和生成目标产物的反应取向。本课题的实施将有助于深入认识核壳结构纳米催化剂的催化特性，为新型多羟基化合物选择氧化催化剂的设计提供理论基础和科学依据。

生物柴油是一种环境友好燃料，而丙三醇是生物柴油生产过程的副产物，随着生物柴油生产及应用的增长，甘油将会大量过剩。因此，开发具有高附加值的下游产品受到广泛关注。甘油选择氧化是甘油有效利用的途径之一，而高效催化剂的研发是甘油转化为目的产物的关键因素。. 本项目致力于甘油选择氧化制取丙酮酸以及研究催化剂的结构/性质与催化性能之间的关系。我们制备核壳结构纳米催化剂，考察了不同活性金属的性能，研究了不同类型载体和不同助剂添加的效果，还考察了催化剂还原方式和反应条件的影响。研究结果表明，核壳结构催化剂具有一定的催化甘油转化为丙酮酸的能力，但是活性和选择性不高；添加一些金属助剂可以提高催化活性和丙酮酸选择性, 然而甘油转化率和目标产物选择性增加有限，开发更高的催化活性和丙酮酸选择性的新催化体系有重要意义。. 在前期工作基础上研究发现，活性碳负载Pt催化剂可以大幅度改善催化剂反应活性，铅助剂改性的Pt/AC催化剂有助于甘油羟基发生脱氢反应，同时在碱作用下进行坎尼扎罗反应，得到高选择性的乳酸, 乳酸进一步在催化剂作用下氧化脱氢得到丙酮酸。通过一系列表征手段来研究催化剂结构和性质、助剂与金属相互作用、脱水中心与金属活性中心的协同作用、反应途径以及催化作用机制。本项目的研究成果对于进一步研制实用型的甘油氧化制取丙酮酸催化剂具有重大的参考价值。