多孔材料负载离子液体的功能化设计及对油脂酯交换催化作用

The trans-fatty acid in hydrogenated oil is shown to have detrimental and poses a threat to human health, thereby resulting in food safety issues. The interesterification of fats and oils is an alternative approach for hydrogenation method to produce edible functional oil products. Studies on the heterogeneous catalysts for the interesterification of fats and oils are of significant interest for clean production and green food engineering. In this project the functional ionic liquid is immobilized on porous carriers to design and fabricate green catalytic materials, and the obtained heterogeneous catalyst is empolyed for the interesterification of fats and oils. By varying the type and structure of ionic liquid and changing the carriers, the catalytic activity,selectivity and stability of the heterogeneous catalysts are imporved accordingly;and the influence of the catalyst preparation method and conditions on the performance of the heterogeneous catalysts is investigated. Various techniques, such as FT-IR、DTA-TG、SEM、TEM、XRD、XPS、AFM、NMR、TPD、nitrogen-adsorption desorption experiment and Hammett titration method, are used for the heterogeneous catalyst characterization.On the basis of the catalyst characterization results the structure of catalytic sites of the catalyst and the catalytic performance control are studied, and a correlation of the catalytic performance of the catalysts with the structure of catalytic sites is established. Besides,the effect of different carriers on the catalytic performance of the catalyst is also investigated. A clear structure-property relation between the structure of ionic liquids, and surface properties of the solid catalysts with the apparent catalytic performance is expected to be ascertained through the controllable fabrication of ionic liquids,the variation of carriers, and the performance control and optimization design of the catalysts, giving the fundamental insight into the effeient active sites of the heterogeneous catalysts for the interesterification of fats and oils.

氢化油脂中反式脂肪酸对人类健康有害，因此引起了食品安全问题。油脂酯交换可替代氢化方法生产出功能性食用油脂制品，研究油脂酯交换多相催化剂对清洁生产和绿色食品工程具有重要意义。本项目拟将功能化离子液体负载到多孔载体上，设计和创制绿色功能化催化材料，研究其催化油脂酯交换催化性能。通过离子液体结构和性能的调控以及载体变化，使催化剂活性、选择性和稳定性得到提高。研究催化剂性能受制备方法和条件的影响规律。采用FT-IR、DTA-TG、SEM、TEM、XRD、XPS、AFM、NMR、TPD、氮气-吸附脱附实验和Hammett函数滴定等技术对催化剂表征，研究催化活性中心结构特征和性能调控规律，揭示催化剂表面物质结构与催化剂活性的关系，探讨载体对催化剂活性、选择性和稳定性的影响。期望通过对离子液体的调控，载体的改变，以及对其功能的设计和优化，探明表面物质结构、表面性质与催化剂性能的构效关系。

近年来，多相催化油脂酯交换引起了人们高度重视。与传统均相催化过程相比，多相催化油脂酯交换过程可以提供环境友好的结构脂或生物柴油的生产方法。基于环境保护和可持续发展的迫切需要，绿色和清洁的多相催化油脂酯交换催化剂成为催化领域的研究热点之一。我们在国家自然科学基金资助下，从可持续发展和清洁生产基本概念出发，制备了具有优良催化性能的离子液体修饰的有序纳米多孔材料、纳米介孔材料、纳米核-壳杂化材料和纳米磁性固定化酶材料，并将其应用于多相催化油脂酯交换反应。这些多相催化材料具有催化活性高、结构可控、催化稳定性好等优点。通过对催化剂制备方法的选择和制备条件的优化，催化活性和稳定性得到显著提高。采用XRD、 FT-IR、 TG-DTA、SEM、TEM、VSM、EDX、和 XPS等现代分析手段对多相催化剂进行了结构表征，探讨了催化作用机制和本质。一是采用共价交联方法制备了几种酸性离子液体、碱性离子液体、双酸性位点离子液体和聚合离子液体功能化的复合纳米材料和磁性复合材料（如SBA-15、Fe3O4@SiO2,磁性羟基磷灰石等）多相催化剂，发现这些催化剂均有较高催化油脂酯交换活性和稳定性。功能化离子液体通过共价键与多孔载体结合，催化活性中心的稳定性得到明显提高，重复使用性能较好。多孔载体提供了酯交换的微环境，利于反应物和产物的传质过程。二是将有机胍和双胍以共价键固载到多孔载体上，制备出三种负载有机强碱固体多相催化剂。这些催化剂具有较高的油脂酯交换催化活性，在较低温度下可得到较高收率。研究了该类催化剂的结构及催化性能的构效关系，探讨了组分间相互作用和协同作用机制。由于共价键固载原因，这些催化剂具有较好催化稳定性。三是制备了离子液体修饰磁性核壳硅胶材料、磁性羟基磷灰石、磁性氧化石墨烯三种复合材料，并用于脂肪酶固定化。这些固定化脂肪酶具有催化油脂酯交换活性和重复利用性能，而且具有良好磁响应性能，在外磁场下从反应体系中易于分离，克服了纳米固定化酶在高粘度体系中难分离问题，也解决了纳米磁性微球的团聚和难分散问题，并且对固定化机制和催化机理进行了深入研究。四是合成了Fe3O4@MCM-41/Na2SiO3/ECH和Cs2.5H0.5PW@UiO-66二种新颖结构的油脂酯交换催化剂，并对其进行了结构表征。实验结果表明这些催化剂具有较高的催化活性和较好重复利用性能。