催化转移氢化制生物质基2,5-呋喃二甲醇研究进展

生物质基2,5-呋喃二甲醇（BHMF）可从廉价易得的糖类出发,经催化转化-选择性氢化制取,并作为一种用途广泛的化工中间体及燃料前体,尤其在改善传统聚酯性能以及合成绿色可降解的生物基聚酯新材料方面具有独特优势。BHMF制取过程中,传统的氢化方式消耗了大量高品位能源氢气,且高压氢气存在安全隐患并导致基础设施投入多。本工作立足于催化转移氢化的优势,综述了甲酸、醇类及其他类型氢供体通过催化转移氢化的方式选择性加氢制取BHMF的研究进展;并针对催化转移氢化过程中不同类型氢供体、催化剂和反应工艺的特点及存在的问题,分析了反应条件、强化手段等对BHMF选择性和收率的影响以及反应体系的优劣。在此基础上,提出了转移氢化制取BHMF新型催化体系的研究方向,并对清洁高效、本质安全BHMF制取工艺的发展进行了展望,为生物质转化中特定催化体系的研发提供科学参考。     

电催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸

在第75届联合国大会上,我国承诺力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。主要由光合作用产生的生物质将在双碳目标中扮演重要角色,通过高效转化可衍生出一系列替代化石产品的高值化学品。其中,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)由于具有与石油基对苯二甲酸(TPA)相似的共轭碳环和二酸结构,可替代TPA用于合成热稳定性能、气体阻隔性能更优的生物基呋喃聚酯,大幅降低聚酯行业对化石资源的严重依赖。此外,FDCA在医药、香料、金属配位化学方面也有广泛应用,从而被认为是12种最具潜力的生物基平台化合物之一。FDCA通常可由5-羟甲基糠醛(HMF)通过催化氧化进行合成。相比于需要贵金属催化剂、高温和高压条件、以化学势作为驱动力的传统热催化方法,电催化氧化采用电极电势作为主要驱动力,是更为绿色和高效的新颖合成方法。本综述对电催化氧化制备FDCA反应所用的贵金属、过渡金属和非金属催化剂进行了总结与分析,梳理了催化剂设计和反应机理的研究脉络,并指出了该领域发展所面临的挑战与机遇。     

磁性MnO2-Fe3O4复合氧化物催化5-羟甲基糠醛氧化合成2,5-呋喃二甲酸研究

以不同晶型的MnO2为催化剂进行5-羟甲基糠醛(HMF)氧化反应,并将催化活性较高的α-MnO2与Fe3O4复合制备磁性MnO2-Fe3O4复合氧化物,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、NH3/CO2程序升温脱附(NH3/CO2-TPD)及吡啶吸附红外光谱(Py-FTIR)对催化...     

CoMn@NC催化5-羟甲基糠醛常压氧化为2, 5-呋喃二甲酸二甲酯

2, 5-呋喃二甲酸二甲酯(DMFDCA)这一生物质衍生的增值化学品是石油基聚合物单体对苯二甲酸(TPA)的理想替代品。本研究采用一步共热解法合成了两种廉价金属修饰的氮掺杂多孔碳催化剂CoMn@NC,并将其用于5-羟甲基糠醛(HMF)在温和条件下的需氧氧化。由Co₃Mn₂@NC-800催化HMF在50 ℃和常压氧气的条件下反应12 h后,得到产率为85%的DMFDCA。多孔催化剂的高比表面积提高了传质效率。Co纳米粒子(NPs)和呈原子级分散的Mn与掺杂在碳中的氮配位形成M―N_x。富含吡啶氮的碳基体中的缺电子金属位点有利于HMF和氧的活化。氧形成的超氧自由基阴离子的存在确保了半缩醛中间体和5-(羟基甲基)-2-糠酸甲酯(HMMF)的羟甲基的脱氢氧化,从而高选择性得到DMFDCA。该催化剂性能稳定,可适用于各种取代芳醇。该催化体系具有用于生产聚合物单体羧基酯的应用潜力。     

CoMn@NC催化5-羟甲基糠醛常压氧化为2, 5-呋喃二甲酸二甲酯

Dimethyl furan-2, 5-dicarboxylate (DMFDCA) is a valuable biomass-derived chemical that is an ideal alternative to fossil-derived terephthalic acid as a monomer for polymers. The one-step oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to DMFDCA is of practical significance. It not only shortens the reaction pathway but also avoids the separation process of intermediates; thus, reducing cost. In this work, non-noble bimetallic catalysts supported on N-doped porous carbon (CoMn@NC) were synthesized via a one-step co-pyrolysis procedure using different pyrolysis temperatures and proportions of metal precursors and additives. We employed the prepared CoMn@NC catalysts in the aerobic oxidation of HMF under mild reaction conditions to obtain DMFDCA. High-yield DMFDCA was obtained by screening the prepared catalysts and optimizing the reaction conditions, including the strength and amount of the base, as well as the reaction temperature. The optimized yield of DMFDCA was 85% over the Co₃Mn₂@NC-800 catalyst after 12 h at 50 ℃ using ambient-pressure oxygen. The physicochemical properties of the catalysts were determined using a variety of characterization techniques, the factors affecting the performance of each catalyst were investigated, and the relationship between the physicochemical properties and performance of the prepared catalysts was elucidated. A porous structure with a high surface area had a positive effect on mass transfer efficiency. Cobalt nanoparticles (NPs) and atomically dispersed Mn were coordinated to N-doped carbon to form M―N_x (where M = Co or Mn). Based on the Mott-Schottky effect, there was significant electron transfer between each metal and the N-doped carbon, additionally, the metal NPs supplied electrons to the carbon atoms. The electron-deficient metal site in the pyridinic N-rich carbon was beneficial for the activation of HMF and oxygen. The activation of oxygen produced reactive oxygen species (such as superoxide radical anions) to ensure high selectivity to DMFDCA through dehydrogenative oxidation of the hemiacetal intermediate and hydroxymethyl group of 5-hydroxymethyl-2-methyl-furoate. The existence of disordered and defective carbons increased the number of active sites. Subsequently, we performed a series of control experiments. Based on our current experimental results and previous studies, we propose a simple mechanism for the aerobic oxidation of HMF to DMFDCA. The catalyst was stable, its performance decreased slightly after two cycles, and it was tolerant to SCN⁻ ions and resistant against N or S poisoning. Furthermore, the use of this catalytic system can be expanded to various substituted aromatic alcohols, such as benzyl alcohols with different substituents, furfuryl alcohol, and heterocyclic alcohols. Simultaneously, the product type was further extended from methyl esters to ethyl esters with a high yield when the substrate reacted with ethanol. In conclusion, this catalytic system can be applied in the production of carboxylic esters for polymers.     

Ru/C催化5-羟甲基糠醛选择氧化高效合成2,5-呋喃二甲醛

在活性炭负载金属钌(Ru/C)催化剂上实现了5-羟甲基糠醛的高效选择氧化.以甲苯为反应溶剂,在383 K和2.0 MPa O₂的反应条件下,2,5-呋喃二甲醛(DFF)收率高达95.8%.与活性炭负载的具有相似粒径的Pt,Rh,Pd,Au等其它贵金属催化剂相比,Ru/C具有更加优良的活性和DFF选择性.同时Ru/C催化剂结构稳定,具有良好的重复使用性能.在相似的反应条件下,采用水代替甲苯作为溶剂,同时添加少量水滑石固体碱,可便捷地将主要产物从DFF调变为5-甲酰基-2-呋喃甲酸或2,5-呋喃二甲酸,显示出Ru/C催化剂在控制5-羟甲基糠醛选择氧化反应产物方面的优异性能.     

生物质转化为液体燃料2,5-二甲基呋喃 的途径与机理

随着化石燃料的日益减少,寻找可再生的液体生物质燃料已经引起了越来越广泛的关注。由生物质制备得到的2,5-二甲基呋喃(DMF)具有高能量密度、高沸点、高辛烷值和不溶于水等优点,近年来被认为是一种非常有前景的液体燃料。本文归纳和总结了生物质转化为DMF的化学途径、方法和反应机理以及DMF的燃烧性能,并对今后的研究方向进行了展望。     

生物质糖类催化制备液体燃料2,5-二甲基呋喃（英文）

在化石燃料储量不断减少,温室效益趋势加重的情况下,寻求可以替代化石燃料的可再生燃料已经引起了人们的广泛关注.人们普遍认为源于生物质的2,5-二甲基呋喃(DMF)是很有前景的一种可再生液体交通燃料,为此本文作者对近年来生物质制备DMF的方法及途径进行了综述,同时对今后的研究作了展望.     

聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯的合成与表征

以2,5-呋喃二甲酸和乙二醇为原料,草酸亚锡为催化剂,通过直接酯化法合成了线性高分子量聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF).运用红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)表征了该聚酯的结构;由乌氏黏度计法和凝胶渗透色谱(GPC)建立了该聚酯在一种混合溶剂体系中特性黏数和重均分子量的关系:[η]=2.82×10-6Mw0.99dL/g,25℃,苯酚-四氯乙烷(1∶1,W/W);示差扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)测定了该聚酯的热转变性能,结果表明该聚酯玻璃化转变温度为84℃,熔点为211℃,起始热分解温度高于370℃,具有良好的热稳定性;运用旋转流变仪研究了PEF的流变性能,结果表明,PEF熔体属于假塑性流体,随相对分子量的减小和温度升高,其非牛顿指数增大,在高于PEF熔点20～40℃,剪切速率为2.17×10-2～1.14×102s-1时,PEF的非牛顿指数为0.85左右.     

CdS基纳米管光催化氧化5-羟甲基糠醛选择性生成2,5-呋喃二甲醛

将生物质转化为高附加值化学品以替代传统化石能源衍生的碳资源不可再生能源已经引起了人们的广泛关注. 本工作制备了内部中空的ZnS@CdS/Ni纳米管催化剂用于光催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF). 通过X射线光电子能谱表征了催化剂内部存在ZnS缺陷态使得ZnS能带带隙降低. 光照条件下, 光生空穴能够从CdS迁移至ZnS缺陷态, 抑制了ZnS@CdS内部的载流子复合, 提高了光催化性能. 中空的纳米管表面负载Ni催化剂可以参与质子还原产氢的反应, 而ZnS@CdS内部产生的空穴可以催化氧化HMF选择性生成2,5-呋喃二甲醛(DFF). 光反应1 h后, HMF的转化率达到36%, 产物DFF选择性为99%, 并且催化剂可以重复利用三次而不降低催化效果.     

HMF催化合成生物基聚酯单体FDCA

在石油资源日渐紧缺的背景下,充分利用自然界中可再生的生物质资源无疑是缓解当前和未来资源危机的有效手段,基于生物质平台分子的绿色化工正在逐渐替代传统石化产品的生产模式。来源于生物质的5-羟甲基糠醛(HMF)经过催化氧化可合成高附加值化学品2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。FDCA是生产绿色聚合物聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯(PEF)的重要单体。综合近年来利用热、电、光与生物催化模式进行的HMF氧化研究成果,热催化在产率与产品纯度方面显示出明显优势,但其对高能耗与高氧压的依赖限制了在工业中的应用。以电催化和光催化为基础的催化模式能够高效利用电能和太阳能,氧化活性物种丰富可调,有广阔应用前景。此外,生物催化模式虽目前产率较低,但具有反应条件温和、选择性高的突出特点,是未来有效利用生物质资源的重要发展方向。本文对氧化途径与相应反应机理进行讨论,并全面地总结了目前由HMF催化氧化生产FDCA的研究现状,包括已取得的进展与将面临的挑战,最后对未来发展方向与前景进行了展望。     

铁、锰、铜和水杨醛缩金刚烷胺席夫碱配体原位催化5-羟甲基糠醛氧化制备5-甲酰基呋喃-2-羧酸

本研究将铁、锰、铜和金刚烷胺缩水杨醛衍生的席夫碱配体组成的原位催化剂用于催化5-羟甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural,简称HMF)选择性氧化制备5-甲酰基呋喃-2-羧酸(5-formyl-2-furancarboxylic acid,简称FFCA)。通过核磁共振（NMR）、红外（FT-IR）和单晶衍射对配体和配合物进行了表征,并对氧化反应时间、反应温度、MnCl2·4H2O与配体物质的量比、氧化剂和催化剂用量等反应条件进行优化,在最优化条件下,HMF转化率为100%,并且可以获得收率为52.1%的FFCA。根据反应结果对Mn金属配合物催化的HMF氧化反应过程进行了分析。     

铈改性Ru/HAP催化果糖一步法制备2,5-呋喃二甲酸

采用浸渍法制备稀土元素铈（Ce）改性的Ru/HAP催化剂Ce-Ru/HAP，以实现果糖一步法制备2，5-呋喃二甲酸（2，5-FDCA）。采用XRD、TEM、NH₃-TPD和XPS表征手段对催化剂的理化性质进行分析。结果表明，Ce很好地高度分散到载体HAP上，且并未对HAP的结构造成影响；Ce主要以Ce³⁺和Ce⁴⁺形式存在，前者的存在使催化剂表面产生大量氧空穴，同时两者之间的电子转移有利于氧空穴形成，提高储氧能力，提高催化剂的表面催化活性；催化剂具有丰富的弱酸位，能够抑制反应过程中副反应的发生。优化反应条件后，催化剂Ce（8%，质量分数）-Ru/HAP在温度160℃和氧气压力2 MPa的反应条件下，反应4 h时2，5-呋喃二甲酸的产率为34.2%。因此，Ce的引入能够提高传统贵金属复合型催化剂的催化活性，同时也为果糖一步制备2，5-FDCA提供新思路。     

聚对苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇无规共聚酯的合成与表征

以对苯二甲酸、2,5-呋喃二甲酸(FDCA)和乙二醇为原料,钛酸四丁酯为催化剂,采用直接酯化法,通过改变对苯二甲酸与2,5-呋喃二甲酸摩尔比合成了一系列高分子量线性聚对苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇无规共聚酯(PEFT).运用1H-NMR和13C-NMR表征并确立了共聚酯的结构,XRD结果显示该系列共聚酯在原生态状态下均为无定形聚集态结构,DSC结果表明该系列共聚酯只有一个玻璃化转变温度(73.3～84.2℃),介于PET和PEF之间,随着PEF含量的增加而增大.TGA结果显示该系列聚酯具有良好的热稳定性,起始热分解温度高于390℃,介于PET和PEF之间.拉伸测试结果表明共聚酯的组成对其力学性能有影响,其中PEFT-10,PEFT-70和PEFT-90的力学性能较好,优于PET.     

双功能复合材料g-C3N4/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能

采用高温煅烧法、 原位生长法和光还原法分三步制备出双功能复合光催化剂g-C₃N₄/CdS/Ni. 材料中CdS的引入可以增强光生电子和空穴的分离效率, Ni可以进一步提高光致产氢速率. 在以三乙醇胺(TEOA)为电子给体的水溶液中对所制备的材料进行了催化产氢性能测试, 并对材料中CdS的含量进行了优化. 结果表明, 25% (质量分数)CdS负载量的复合材料催化产氢性能最佳, 其催化产氢速率为4134.5 μmol·g^-1·h^-1, 是 g-C₃N₄/Ni催化产氢速率的115倍. 且Ni是一种良好的质子催化剂. 在此基础上, 以5-羟甲基糠醛(HMF)替代TEOA作为体系的电子给体, 其可以被选择性地催化氧化为增值化学品2, 5-二甲酰基呋喃(DFF). 当体系中HMF的转化率为82.3%, DFF的选择性为69.4%时, DFF的产率(57.2%)达到最高, 体系中H₂的产量为 51.8 μmol/g. g-C₃N₄/CdS/Ni复合材料可以在同一体系中进行催化光致产氢和HMF的选择性氧化.     

溴酸钾-5-溴-(2-吡啶偶氮)-二乙氨基酚体系催化动力学光度法测定钯(Ⅱ)

在H2SO4介质和室温条件下,痕量钯(Ⅱ)能灵敏地催化KBrO3氧化5-溴-(2-吡啶偶氮)-二乙氨基酚(5-Br-PADAP)的褪色反应。研究了该催化反应的最佳实验条件及动力学过程,建立了动力学光度法测定痕量钯的新方法。方法的线性范围为0~0.75 mg/L,检出限为7.62×10-8g/L。催化反应速率对于钯和5-Br-PADAP都为一级反应,表观活化能为88.64 kJ/moL。方法用于钯碳催化剂中钯量的测定,标准加入回收率为98.4%~104.9%。     

微波辐射下氯化锌催化纤维素转化为呋喃类物质的研究

以氯化锌作为溶剂和催化剂,利用微波辅助氯化锌降解纤维素,致使纤维素直接转化为5-羟甲基糠醛(5-HMF)和1-(2-呋喃基)-2-羟基-乙酮两种呋喃类物质。通过考察反应温度、反应时间、氯化锌用量、纤维素加入量、微波功率和加热方式等因素对其摩尔产率影响可知,在140 mL质量分数为69%的ZnCl₂溶液中,纤维素用量为1 g,反应温度为135 ℃,反应时间为5 min,微波功率为500 W时,5-羟甲基糠醛的摩尔产率达到19.4%,微波功率为600 W时,1-(2-呋喃基)-2-羟基-乙酮的摩尔产率达到12.0%。     

载体对其负载的Cu-Co双金属催化剂上5-羟甲基糠醛氢解选择性生成2,5-二甲基呋喃的影响

碳-氧键氢解是生物质呋喃基化合物制备交通燃料常见的模型反应,其中5-羟甲基糠醛(HMF)转化为汽油添加剂2,5-二甲基呋喃(DMF)尤为引人关注.本文采用CeO2,ZrO2和Al2O3负载的Cu-Co双金属催化剂用于HMF选择性氢解制DMF的反应中.采用X射线衍射、N2吸附-脱附、投射电镜、H2-程序升温还原、氨-程序升温脱附和元素分析表征了新鲜的和使用过催化剂的结构,并将其与催化活性相关联.Cu-Co/CeO2催化剂通过在大的Cu颗粒上还原C=O键生成了最多的2,5双(羟甲基呋喃)(BHMF).但Cu-Co/Al2O3催化剂具有高度分散的Cu,Cu-Co复合氧化物和大量的弱酸位,因而生成DMF的选择性最高.Cu-Co/ZrO2催化剂则由于存在强酸位,DMF选择性较低,生成了各种过度氢解产物,如2,5而甲基四氢呋喃和5,5-二(亚甲基)双(2-甲基呋喃).因此,考察了Cu-Co/Al2O3催化剂上的反应路径,以及温度、氢气压力和时间等操作条件的影响,使其具有较优的HMF转化率和DMF选择性.     

PtRuAgCoNi高熵合金纳米颗粒高效电催化氧化5-羟甲基糠醛

5-羟甲基糠醛(HMF)的电催化氧化被认为是合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)最环保、经济和有效的方法之一,它可作为聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)的生物基前体。在这项工作中,我们通过低温溶剂热法合成了PtRuAgCoNi高熵合金纳米颗粒,并在不改变颗粒结构和组成的情况下进行了简易的处理以去除表面活性剂。负载在碳载体上的合金纳米催化剂无论是否含有表面活性剂在HMF电催化氧化为FDCA的过程中都表现出比商业Pt/C更好的催化性能。且表面活性剂的去除可以进一步提高其电催化性能,表明高熵合金纳米粒子在电催化和绿色化学中具有广阔的应用前景。     

5-（5-溴-2-吡啶偶氮）-2，4-二氨基甲苯催化光度法测定钯

在H2SO4介质和室温条件下,微量钯（Ⅱ）对KBrO3氧化5-（5-溴-2-吡啶偶氮）-2,4-二氨基甲苯（5-Br-PA—DAT）褪色反应具有显著的催化作用,据此建立了测定微量钯的催化光度法．方法的检测限为0．034mg／L,线性范围0．2～0．75mg／L．已用于钯碳催化剂及水样中钯含量的测定,标准加入回收率为97．2％～99．0％,结果满意．