金属-布朗斯特酸双功能催化剂在糠醛一步制备γ-戊内酯中的性能研究

γ-Valerolactone exhibits as the one of most important biomass-derived chemicals. Its efficient preparation methods are vital for biorefinery. One-step conversion of furfural to γ-valerolactone has a great application prospect. It is essential to design a suitable catalyst to achieve this reaction. Our project will focus on the structure-activity relationship between the metal-Brønsted acid bifunctional catalysts and conversion of furfural to γ-valerolactone. The synthesis of bifunctional catalysts, the characterization of active sites and the application of the catalysts will all be included in the project. It is the key of this project to design a catalyst that can catalyze the hydrogenation of furfural and levulinic acid simultaneously. The research of this project is of great significance for the target conversion of biomass-derived platform molecule.

γ-戊内酯是一种非常重要的可再生生物质基化合物，其高效制备对于生物炼制工业至关重要。一步高效催化糠醛转化为γ-戊内酯具有非常大的应用前景，设计出有效的催化剂对于实现该反应至关重要。本项目将围绕金属-布朗斯特酸双功能催化剂在糠醛一步转化为γ-戊内酯中的构效关系开展研究，研究内容涵盖双功能催化剂的制备、催化活性中心的表征以及催化反应应用等方面。构建出可以同时催化糠醛与乙酰丙酸共加氢的催化剂，是催化糠醛一步高效转化为γ-戊内酯的核心问题。本项目的研究对于生物质平台分子的定向转化具有重要的参考意义。

γ-戊内酯是一种高价值的生物质基化学品，可用作燃料、燃料添加剂、绿色溶剂、精细化工中间体和调味剂等，然而其合成目前存在催化性能不佳、步骤繁琐和中间产物额外分离等问题。鉴于此，开发出高效的金属-布朗斯特酸双功能催化剂，串联多步反应，简化反应流程，实现糠醛经糠醇和乙酰丙酸一步制备γ-戊内酯，具有重要的科学意义和应用前景。本项目执行过程中，构筑了高效分子筛封装双金属催化剂PtCu@S-1，成功应用于糠醛加氢制糠醇。机理研究表明PtCu双金属的协同作用显著提高了Cu基催化剂的加氢性能，Pt助剂的存在促进了糠醛吸附构型从顺式转化为更易加氢的反式构型，同时分子筛的择形效应抑制了低聚物的生成，进一步提高了目标产物的选择性。其次，构筑了高效超薄ZSM-5分子筛催化剂，成功应用于糠醇制乙酰丙酸，其催化性能显著优于商用ZSM-5分子筛，乙酰丙酸的收率达到68 %。最后，构筑了金属-布朗斯特酸双功能催化剂PtCu@ZSM-5，借助金属和酸性双位点的协同作用，成功实现了糠醛一步制γ-戊内酯。本项目系统地阐述了双金属催化剂在糠醛选择性加氢和双功能催化剂在糠醛多步串联制γ-戊内酯反应中的作用机制，为同类型反应中高效催化体系的构筑提供了合理的设计思路。