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木质生物填料/滤料


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【封面解读】ACS Catalysis:开发新型Dawson

日期:2022-09-01 09:25:31 来源:爱游戏注册平台 作者:爱游戏全站app下载

  东北师范大学王晓红教授和中科院长春应化所衣小虎助理研究员,段晓征副研究员(共同通讯作者)ACS Catalysis封面:开发新型Dawson结构杂多酸实现木质纤维素高效转化

  木质纤维素是最有可能代替石油基精细化学品的可再生生物质资源之一,选择性断裂β-O-4键是实现高效木质纤维素分级解聚的关键。然而非贵金属基非均相催化剂面临着选择性低、反应条件苛刻且催化剂难于回收等缺点。杂多酸具有原子级别的可调控性,是开发针对生物质精炼的高效、可再生、多功能催化剂的理想材料之一。

  针对以上问题,东北师范大学王晓红教授和中科院长春应化所衣小虎助理研究员,段晓征副研究员(共同通讯作者)及东北师范大学博士研究生李宗航(第一作者)等提出: (1) “原子对原子”策略将Dawson型杂多酸H6P2Mo18O62的中心原子P5+替换为V5+得到H6P2Mo18O62, H6P2Mo18O62在催化木质素模型化合物β-O-4键选择性断裂上表现出更优异的活性。V5+中心原子的插入改变了杂多酸正八面体中心Mo原子及O原子(八面体端氧、转角氧、桥氧)的电负性,进一步影响杂多酸的酸性/氧化性从而提高了对β-O-4键的断裂活性。(2) 将低共熔体甜菜碱盐酸盐(BetHCl)通过离子交换的方式引入杂多酸H6P2Mo18O62制备温控型催化剂BetH5V2Mo18O62,通过催化微环境的调控使杂多酸在高温下展现出与均相催化剂相似高活性且在室温下易于回收分离。并通过密度泛函理论(DFT),分子动力学(MD)和系列实验结果验证了以上两个调控策略。通过程序升温控制实现一锅BetH5V2Mo18O62催化木质纤维素的分级解聚。

  该工作提供了一种合成“三位一体”多功能催化剂的新思路,使杂多酸同时具有可调控的酸性/氧化性/温控性。从杂多酸分子微观“原子对原子”的取代及低共熔体引入催化微环境的改变,实现了β-O-4键高选择性的断裂及木质纤维素一锅分级解聚。

  木质纤维素是最有价值的石油基精细化学品的可替代再生生物质资源之一,分级解聚天然木质素是高效利用生物质的重要方法。高效断裂木质素β-O-4键是实现高效木质纤维素分级解聚的关键。非贵金属基非均相催化剂面临着选择性低、反应条件苛刻且催化剂难于回收等缺点。杂多酸具有原子级别的可调控性,是开发针对生物质精炼的高效、可再生、多功能催化剂的理想材料之一。因此,调控杂多酸的原子结构而实现精确调控杂多酸的性质是很有意义的研究。目前,针对与杂多酸配原子取代的研究较多,而对中心原子取代对杂多酸性质调控的研究较少;且对Keggin型杂多酸原子取代的研究较多而对Dawson型杂多酸原子取代研究较少。因此,通过调控Dawson型杂多酸的中心原子从而定量调控杂多酸的氧化性/酸性,并探索其对木质素β-O-4键选择性断裂是重要且有挑战性的。

  王晓红教授课题组前期工作发现Dawson型杂多酸H6P2Mo18O62在催化木质素β-O-4模型化合物的断裂效率很高,杂多酸本身的结构具有原子级别的可调控性。目前,针对与杂多酸配原子取代的研究较多,而对中心原子取代对杂多酸性质调控的研究较少;且对Keggin型杂多酸原子取代的研究较多而对Dawson型杂多酸原子取代研究较少。因此,采用“原子对原子”策略将Dawson型杂多酸H6P2Mo18O62的中心原子P5+替换为V5+得到H6P2Mo18O62, 并研究结构的改变对杂多酸本征性质的影响及对β-O-4键断裂效率的改变是有意义的。V5+中心原子的插入会导致杂多酸正八面体畸变,进而导致八面体中心Mo原子及周围O原子(八面体端氧Od、转角氧Ob、桥氧Oc)的电负性发生改变。DFT计算结果验证了以上结论(图1),Mo的密立根(MLK)平均电荷密度由1.76(H6P2Mo18O62)提高到1.79(H6V2Mo18O62),说明Mo的正电性上升,杂多酸氧化性应会提高。而O的密立根(MLK)电荷密度由-1.29(H6P2Mo18O62)下降到-1.44(H6V2Mo18O62),说明O的负电性上升,杂多酸酸性下降。

  H6V2Mo18O62在催化木质素模型化合物β-O-4键选择性断裂上表现出相较于H6P2Mo18O62更优异的活性。更强的氧化性有助于pp-ol氧化到pp-one,进而活化并降低β-O-4键键能。Brønsted酸性对β-O-4键断裂的影响程度小于氧化性的影响程度。因此,“原子对原子”策略调控后的H6V2Mo18O62展现出适当的氧化性和Brønsted酸性,提高了其针对木质素模型化合物的断裂效率。

  通过自由基猝灭实验(图2),可知单线在催化pp-ol过程中的活性物种。通过EPR实验同样可以证明·O2-的存在(图2),然而·O2-是不足以单独催化pp-ol氧化成pp-one这个过程的。因此,·OOH应该是催化过程中线在催化pp-ol氧化断裂过程具体如下:

  还原态杂多酸被O2氧化再生,同时O2得一电子,伴随着杂多酸释放游离H+生成·OOH:

  BetH5V2Mo18O62还可以高效催转化含Cγ-OH的复杂β-O-4类模型化合物如VG以及GG。同样可以高效转化其他木质素模型化合物如α-O-4(苯基苄基醚), 4-O-5(二苯基醚),这证明了BetH5V2Mo18O62具有广泛的底物适用性。BetH5V2Mo18O62可以高效的催化软木(松木)和硬木(杨木)木质纤维素分级解聚为芳香化合物,木糖及葡萄糖。松木分级解聚产物产率分别为芳香化合物(19.5 wt%),木糖(14.7 wt%)和葡萄糖(30.4%);杨木分级解聚产物产率分别为芳香化合物(15.7 wt%),木糖(16.1 wt%)和葡萄糖(23.9%)。BetH5V2Mo18O62可以循环使用10次依然保持高的催化效率。

  该研究以“原子对原子”的策略合成了相较于H6P2Mo18O62具有更高氧化性,酸性略降低的Dawson型杂多酸H6P2Mo18O62,在CPET作用的辅助下可以高效断裂木质素模型化合物中β-O-4键。通过实验,DFT和MD验证了(1). Bet+与pp-ol通过氢键构筑了更为牢固的催化微环境,使杂多酸与pp-ol的碰撞几率更高;(2). Bet+的引入使BetH5V2Mo18O62具有温控性质,克服了催化过程中的传质障碍。BetH5V2Mo18O62可以高效分级解聚松木和杨木木质纤维素,通过高效断裂β-O-4键得到香草酸乙酯,丁香酸乙酯等四种芳香化合物。这项工作对合成多功能杂多酸催化剂,原子级别调控杂多酸结构及构筑催化微环境提供了一种新的思想。

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