双金属纳米催化剂对碳-氧键选择性氢解性能强化作用的研究

Bimetallic catalyst is a research focus in catalysis field. The geometric effects, electronic effects, stabilizing effects, synergistic effects and bifunctional effects in bimetallic catalysts make their catalytic performance superior to the monometallic counterparts. On the other hand, the selective hydrogenolysis of C-O bonds, sometimes containing hydrogenolysis and hydrogenation simultaneously, is one of the important reactions related to the transformation of bio-polyols, acids, esters, ethers, and bio-ols by pyrolysis or liquefaction to fuels and added-value chemicals. The present research project chooses the selective hydrogenolysis/hydrogenation of typical compounds with C-O bonds like aliphatic acids (for example, bio-acetic acid and lactic acid), esters (for example, dimethyl oxalate) and guaiacol as model and target reactions, focusing on the preparation and structure-performance correlation of the bimetallic nanocatalysts with noble metal. The selectivity control and structure stability of the catalysts are two crucial challenges of the present project. The effects of various factors such as the types and chemical states of active components and additives, the size and morphology of active metals, the properties and the porous structures of supports on catalytic performances are to be investigated systematically. Based on these results, the project will propose effective strategies to increase the selectivity to target products. By exploiting the novel nanomaterials emerging in recent years and the novel synthetic methods, the project aims at designing and preparing new catalyst systems for the target reactions with high activity and selectivity, and understanding the nature of catalysis on the atomic scale.

对双金属催化剂的研究是催化领域的一个热点，双金属催化剂中的两种金属之间可通过几何、电子、稳定、协同和双功能等作用，表现出比单金属催化剂更为优异的催化性能。C-O单键选择性氢解，有时同时连带氢解和加氢两个过程，是与生物质多元醇、酸、醚、酯和生物质裂解油等碳资源制燃料和精细化学品密切相关的重要催化反应。本项目选择含C-O单键的典型底物，如脂肪酸（如生物质醋酸和乳酸等）、酯（草酸二甲酯）和愈创木酚的选择性加氢/氢解为模型和目标反应，着重开展含贵金属的双金属催化剂制备与构效关联研究，围绕选择性调控和催化剂结构稳定性这2个关键科学问题，系统考察催化剂活性金属的组分、化学状态、尺寸和形貌以及载体物性等因素对催化反应性能的影响。在此基础上，项目将提出提高特定目标产物选择性的有效策略，利用不断涌现的纳米新材料和纳米催化材料的制备方法，研制目标反应高效定向转化的新催化剂体系，在原子水平上认识催化作用本质。

双金属催化剂是催化领域的一个研究热点，双金属催化剂中的两种金属之间可通过几 何、电子、稳定、协同和双功能等作用，表现出比单金属催化剂更为优异的催化性能。C-O键选择性氢解，有时同时连带氢解和加氢两个过程，是与生物质多元醇、酸、醚、酯和生物质裂解油等碳资源制燃料和精细化学品密切相关的重要催化反应。本项目根据原定研究计划，在项目执行期间（2015年1月–2018年12月），选择含C-O键的典型底物，如脂肪酸（如生物质醋酸和乳酸等）、酯（草酸二甲酯）和愈创木酚的选择性加氢/氢解为模型和目标反应，着重开展包含双金属在内的相关催化剂制备与构效关联研究，围绕选择性调控和催化剂结构稳定性这2个关键科学问题，系统考察催化剂活性金属的组分、化学状态、尺寸和形貌以及载体物性等因素对催化反应性能的影响，获得以下主要进展。.(1).在煤制乙醇关键催化反应草酸二甲酯选择性加氢制乙二醇的催化剂研制方面，从认识催化剂失活机理出发，采用原位析出策略制备的页硅酸铜基催化剂表面有合适的Cu+/Cu0比例，表现出很高性能和抗烧结性能，进而提出硅胶适当包裹叶硅酸铜管的策略，产生更多的Cu-O-SiOx界面，进一步显著提高催化剂性能。.(2).在草酸二甲酯选择性加氢制乙醇酸甲酯Ag即催化剂研制方面，发展出性能优异的CNT限域型Ag基催化剂和负载型Ni@Ag核壳结构催化剂。.(3).所研制的Ni-Fe/CNT双金属催化剂在5-羟甲基糠醛（HMF）选择性加氢/氢解和选择氧化和木质素衍生含C-O化合物的加氢脱氧反应中，实现了结构可控，产物选择性可调。.(4).明晰了碳化钨催化剂在木质素衍生含C-O化合物的加氢脱氧反应中的结构控制方法和构效关联，所提出的采用双床层催化剂体系和负载-聚合-碳化法负载型碳化钨催化剂，分别可实现产物选择性可控和催化剂稳定性显著提高的优异结果。.(5).在相关研究领域已发表SCI收录研究论文31篇，申请中国发明专利4项，技术转让1项。培养博士生毕业获学位2名，在读4名；硕士生毕业获学位10名，在读2名。