新型催化劑 助力提取廢棄物中的山梨醇

日前，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院房貞蘭教授團(tuán)隊(duì)與德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的汪躍民教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過簡(jiǎn)單的水熱合成方法制備出具有極高催化性能和良好穩(wěn)定性的催化劑，成果近日發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》上。

山梨醇可用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)生產(chǎn)等，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從秸稈、樹枝等農(nóng)業(yè)廢棄物中獲得的葡萄糖單體，經(jīng)過氫化反應(yīng)，即可轉(zhuǎn)化為山梨醇等具有高附加值的化學(xué)品。而這一轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵，在于化學(xué)催化或生物催化過程中使用的催化劑。

“金屬有機(jī)框架簡(jiǎn)稱為MOF，是在簡(jiǎn)單的水熱條件下，由金屬陽離子和有機(jī)配體自組裝而成的催化劑載體。與酶或金屬氧化物等催化劑相比，MOF異相催化劑具有比表面積高、孔徑和孔隙率可調(diào)、金屬單活性位點(diǎn)分散性好和可負(fù)載活性組分等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),這讓MOF異相催化劑為各種含糖類生物質(zhì)衍生物的轉(zhuǎn)化提供了無限可能。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)博士生張毓瑋介紹。

由于該催化劑在實(shí)際反應(yīng)條件下重復(fù)使用性較差，嚴(yán)重阻礙了其在催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用，因此課題組通過人為設(shè)計(jì)缺陷的策略，即在合成過程中加入與原始配體結(jié)構(gòu)相似的缺陷配體，在MOF異相催化劑中人為植入了兩種類型的缺陷位點(diǎn)，從而合成了一系列缺陷設(shè)計(jì)MOF異相催化劑,簡(jiǎn)稱DEMOF異相催化劑。

“非常有趣的是，研究結(jié)果證明了我們先前的設(shè)想，即利用人為植入的缺陷、負(fù)載的釕貴金屬活性組分和原始金屬單活性位點(diǎn)三者的協(xié)同催化作用，實(shí)現(xiàn)了所制備的DEMOF異相催化劑對(duì)葡萄糖選擇性加氫制備山梨醇的反應(yīng)活性、選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性的同時(shí)提高。”房貞蘭表示，該研究合成的一系列DEMOF催化劑，其轉(zhuǎn)換頻率值均為目前已經(jīng)報(bào)道的用于葡萄糖氫化反應(yīng)的催化劑的10倍以上，技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。

房貞蘭介紹，更重要的是，在連續(xù)循環(huán)催化12次后，催化劑依舊能保持很高活性。此外，這一轉(zhuǎn)化過程中所用溶劑為水，這將極大削減催化劑使用成本，減少資源消耗，降低環(huán)境污染。

房貞蘭表示，該研究不僅提高了催化劑活性和穩(wěn)定性，更重要的是證明了不同類型的缺陷引發(fā)的不同的反應(yīng)路徑，這為后續(xù)催化劑的設(shè)計(jì)合成提供了新的思路和理論支持。