WOx修饰的Cu-WOx双功能催化剂结构性质的精细调控及碳水化合物氢解性能与机理研究

The hydrogenolysis reaction is desirable to convert carbohydrates into oxygen-containing liquid fuels and high value-added chemicals by selectively breaking C-C and C-O bonds. Our previous work has revealed that WOx modified metal-WOx bifunctional catalysts could promote the selective hydrogenolysis of glucose. However, there are still many scientific issues which remain unsolved: such as the synergistic effect between metal and the WOx species with different structure and properties (dispersion, valance and acidity), the optimal structure of the bifunctional catalysts, and how to tune the structure and properties of bifunctional catalysts to advance the product selectivity during the hydrogenolysis of carbohydrates.. Based on these issues, series of Cu-WOx/TiO2 bifunctional catalysts are prepared by tuning the structure and properties of WOx (dispersion, valance and acidity). Combining the characterization and experiment results, the structure-performance relationship of the bifunctional catalyst will be revealed. The synergistic mechanism of Cu and WOx on the selective hydrogenolysis of C-C/C-O bonds in carbohydrates (cellulose, sucrose, glucose) will be studied. This project will provide a novel design strategy of the metal-oxophilic oxide bifunctional catalysts for the hydrogenolysis of carbohydrates.

氢解反应，通过选择性的断裂C-C、C-O键，可以将碳水化合物转化为含氧液体燃料和高附加值化学品。申请人在前期研究工作中发现WOx修饰的金属-WOx双功能催化剂对葡萄糖选择性氢解具有促进作用，然而具有不同结构性质（分散度、价态、酸性）的WOx物种与金属之间的协同效应，双功能催化剂的最优结构，以及如何调控双功能催化剂的结构性质以进一步提高碳水化合物氢解产物选择性等科学问题，目前尚未解决。. 针对上述问题，本项目拟从WOx的结构性质（分散度、价态、酸性）的精细调控入手，制备一系列Cu-WOx/TiO2双功能催化剂，并结合表征技术和实验手段揭示双功能催化剂的构效关系，探讨Cu和WOx对碳水化合物（纤维素、蔗糖、葡萄糖等）C-C、C-O键氢解的协同机理。本项目的实施有望为生物质氢解催化转化提供催化剂设计思路，并指导更多的金属和亲氧型氧化物组成的双功能催化剂的开发和应用。

化石资源的巨大消耗造成了严重的能源危机和环境问题，寻找新的可持续发展的清洁能源不仅是亟需解决的科学难题，更是全社会关注的焦点。自然界中生物质基的化合物分子的催化转化，具有为当今社会提供可持续的含氧液体燃料和高附加值化学品的潜力。目前，金属-氧化物这类双功能催化材料被认为是生物质氢解的高效催化剂，而且通过金属和氧化物的协同作用，能够实现生物质分子的一锅串联催化反应。本项目分别以金属有机骨架材料和葡萄糖为碳源，合成具有特殊形貌的碳载体，作为廉价金属和贵金属催化剂的载体。并考察了廉价金属，贵金属，以及金属-金属氧化物对生物质衍生物的氢解性能，并考察了催化剂的结构性质之间的构效关系。本项目以葡萄糖为原料，通过水热的方式制备了水热碳球，作为Ni催化剂的载体。通过调控Ni的含量以及处理条件，制备了具有不同纳米尺寸的Ni催化剂，研究了Ni的尺寸效应。同时通过控制热处理条件，研究了Ni-NiOx之间的协同作用。本项目还以金属有机骨架材料ZIF-8和ZIF-67为模板，制备了具有特殊形貌的碳载体，并通过不同的热处理方式，获得了具有合金结构的PdZn催化剂以及Pd-CoOx催化剂。催化剂的结构对于产物的选择性有重要影响，其中合金结构能够促进催化剂的加氢性能，而Pd-CoOx的协同作用，能够促进催化剂的氢解性能。