孔形貌和结构有序性控制合成基于多酸的杂化催化剂及其催化性能研究

制备具有规则孔结构的环境友好型杂化催化剂并探究孔几何形貌和结构有序性及表面亲疏水性对其催化性能的影响是物理化学研究的热点课题之一。本项目拟采用溶胶-凝胶共缩合并结合水热或蒸发诱导自组装等技术一步制备以不同酸性氧化物为载体的含有疏水有机基团的基于多酸的杂化催化剂，并通过控制诸实验参数，实现对其孔道形貌及结构有序性的可控合成。通过各种表征手段，揭示杂化催化剂内部多酸分子及疏水有机基团与载体之间的作用本质以及杂化催化剂的酸性质。分别以长链脂肪酸与短链醇酯化和三酸甘油酯与短链醇酯交换为模型反应，揭示杂化催化剂的孔几何形貌和结构有序性、表面亲疏水性及载体类型对其催化性能的影响规律，探讨反应机理并评价其循环使用情况。本研究将指导此类杂化催化剂的设计，并提供具有应用前景的以廉价生物质为原料生产生物柴油的高效和稳定的固体酸催化剂；本研究使多酸化学与绿色化学相融合，为解决能源基础研究中的问题提供依据。

能源危机和环境污染是21世纪世界范围内面临的严峻挑战之一。近年来，为减少对化石能源的依赖以及降低污染，与绿色化学研究密切相关的酸催化生物质转化过程受到了广泛关注，主要研究集中在以生物质为原料合成生物柴油和高附加值有机化学中间体。以上过程的关键科学问题是制备高效、稳定和环境友好的固体酸催化剂，从而有效克服传统无机液体强酸存在的腐蚀设备、污染环境和高处理费用等限制以上过程实际应用的缺点。 .围绕设计制备高活性和高稳定性的用于生物质转化过程的有机-无机杂化固体酸催化剂为核心，本项目采用一步溶胶-凝胶共缩合路径，通过控制制备条件，成功实现了基于多酸或有机磺酸的环境友好型有机-无机杂化固体酸催化剂的形貌控制制备，分别获得了具有优异表面物理化学性质的二维六方和三维交联介孔结构以及双介孔结构纳米管和中空纳米球杂化固体酸催化剂；通过各种表征手段，揭示了杂化催化剂内部酸性组分及疏水有机基团与载体骨架之间化学作用的本质，详细研究了杂化催化剂的酸性质；分别通过以生物质或生物平台分子为原料的酯化、酯交换和醇解等反应，系统评价了以上制备的各类杂化固体酸催化剂的非均相酸催化活性和循环使用情况，探讨了杂化催化剂的形貌、表面亲疏水性及载体类型对其催化性能的影响规律，揭示了反应机理。以上研究将催化科学、绿色化学和纳米科学相互融合，为设计高效稳定的应用于生物质转化的固体酸催化剂提供了新思路和依据。.在本研究中，项目负责人以通讯作者身份共发表SCI检索论文31篇，会议论文17篇，代表性论文分别发表在J. Catal., Green Chem., Chem. Eur. J., J. Mater. Chem. A和Appl. Catal. B: Environ.等著名学术期刊。此外，应英国皇家化学会Green Chem.期刊主编的邀请，还为该期刊撰写了有关固体酸催化的生物柴油合成方面的综述论文（F. Su, Y. H. Guo*, Green Chem. 16, 2014, 2934）。以上研究受到了国际国内同行的关注与认可，项目负责人分别入选了2014和2015年爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单。