固体酸多中心协同效应的表征及其对糖类分子活化转化过程的催化作用

固体酸催化剂的多中心协同效应，特别是多孔酸性催化剂中多酸位对底物分子的三维作用，至今未得到有效的表征。此外，糖类分子的转化属生物质利用的重要课题，其中所涉多相催化过程备受关注，但其分子含多个羟基使得分子活化与活性中心的构-效关系难以阐明。针对此，本课题提出采用结构上类似单糖、可具多结合点的新型探针分子，以固体核磁共振为重要手段对分子筛催化剂孔内由多酸中心之间的协同造成的化学环境、空间势场分布进行分析，结合果糖转化为5-羟甲基糠醛（HMF）这一重要反应的催化性能，关联多酸中心协同的结构特征与果糖分子的活化、转化速率、产物HMF的选择性的构-效关系，把握果糖转化至HMF过程的催化反应的本质，并依此设计具有高效固体酸材料，利用多酸中心的协同作用实现对生物质糖类分子在温和条件下的多相催化转化，追求反应性能的高效与催化过程的创新，为固体酸材料在生物质利用方面寻找新的机会。

在化石资源相对有限、紧缺的当前，生物质资源利用是开发新能源手段之一，其中，生物质糖类分子在温和条件下的多相催化转化是生物质利用中十分重要的过程。本研究以果糖、木糖分子为研究对象，选取固体酸催化剂即分子筛、中孔磷酸锆为催化剂体系，以果糖、木糖分子脱水反应为反应过程进行了研究，研究发现，经过水蒸气处理后的HZSM-5催化剂同时具有路易斯酸（L酸）中心和布朗斯特酸（B酸）中心，而且空间距离较近的B酸和L酸中心之间发生了协同催化效应，促进了甲基环己烷分子的催化裂解，有效的增产了烯烃的产率。通过分子筛吸附的烷烃和丙酮分子的13C MAS NMR谱的测定，分子筛中的B酸中心的分布和对分子的极化作用得到了描述，分子筛中空间临近的B酸中心作用于同一反应分子，分子受到的极化作用更大。分子筛中临近的酸中心对果糖分子的活化相比单个B酸中心上的活化更容易，转化成羟甲基糠醛（HMF）的反应速率更快。以此为新型催化剂体系的设计思想，中孔磷酸锆中由于含有L酸和B酸，在木糖转化成糠醛的反应过程中体现出了优异的催化性能，实现了在水体系中对木糖分子的高效转化利用。本研究课题利用多酸中心的协同作用实现了对生物质糖类分子在温和条件下的多相催化脱水的转化利用，实现了反应性能的高效与催化过程的创新，为固体酸材料在生物质利用方面找到了新的机会。