双金属 Cu-Zn-Al2O3催化剂助力 5 - 羟甲基糠醛与糠醛共催化氢解制备先进生物燃料

为解决 5 - 羟甲基糠醛（HMF）和糠醛（FF）共催化氢解高产生物燃料的难题，研究人员制备 Cu-Zn-Al2O3催化剂开展相关研究。结果显示在最优条件下，2,5 - 二甲基呋喃（DMF）和 2 - 甲基呋喃（2-MF）产率可观，还测试了麦草水解物的催化氢解，为该领域提供新见解。

　　在当今世界，传统化石资源正逐渐走向枯竭，全球环境问题也愈发严峻，寻找可持续、可再生的绿色生物燃料迫在眉睫。2,5 - 二甲基呋喃（DMF）和 2 - 甲基呋喃（2-MF）作为新型先进液体生物燃料，具有高能量密度、良好抗爆性且不溶于水等优点，备受关注。木质纤维素生物质（如小麦秸秆）化学水解产生的水解物中，通常含有 5 - 羟甲基糠醛（HMF）和糠醛（FF），它们分别由纤维素和半纤维素水解生成，是重要的平台生化物质 。然而，过去虽有大量关于 HMF 或 FF 单独催化氢解的研究，但二者共催化氢解的研究却寥寥无几。这是因为要实现共催化氢解高产生物燃料困难重重，HMF 和 FF 各自的反应路径复杂，存在多种活性官能团，容易发生复杂的副反应，难以获得高产物选择性。因此，探索将 HMF 和 FF 同时转化为生物燃料的有效策略意义重大。

为了解决这些问题，国内研究人员开展了相关研究。他们制备了一系列双金属 Cu-Zn-Al₂O₃催化剂，用于 HMF 和 FF 共催化氢解制备 DMF 和 2-MF，并对催化剂进行了全面表征，考察了反应温度、时间和不同氢源的影响。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是通过溶胶 - 凝胶法制备 Cu-Zn-Al₂O₃催化剂；二是运用 XRD（X 射线衍射）、XPS（X 射线光电子能谱）、TEM（透射电子显微镜）和 BET（比表面积分析）等技术对催化剂进行表征，以深入了解催化剂的性质。

下面来看具体的研究结果：

• 催化剂制备与表征：采用溶胶 - 凝胶法制备 Cu-Zn-Al₂O₃催化剂。通过对 3Cu-Zn-Al₂O₃催化剂和 Al₂O₃载体进行 N₂吸附 - 脱附等温线及孔径分布表征发现，其呈现典型的介孔吸附剂物理吸附过程，存在复杂多孔结构。
• 催化性能研究：研究发现，Zn 的引入促进了 Cu 纳米颗粒（NPs）在催化剂表面的分散。形成的 Cu-Zn-Al 合金相通过电子转移和协同效应，显著提高了催化剂的活性。在最优条件下，以异丙醇为氢源，使用 3Cu-Zn-Al₂O₃催化剂，DMF 产率达到 68.5%，2-MF 产率达到 92.4%，底物转化率为 100%。
• 稳定性测试：对催化剂进行循环测试，结果表明在前三轮测试中，催化剂的催化性能稳定，但在第四轮循环时明显失活。
• 实际应用模拟：研究人员首次对小麦秸秆水解物进行催化氢解测试，模拟实际工业生产过程。

研究结论和讨论部分具有重要意义。该研究成功制备了有效催化剂，实现了 HMF 和 FF 以及小麦秸秆水解物向先进生物燃料 DMF 和 2-MF 的共催化氢解。研究揭示了 Cu⁺具有良好的断裂 C-O 键能力，Cu⁰是常见的氢化物种。这一研究成果为 HMF 和 FF 共催化氢解领域以及生物质水解物的转化提供了新的思路和方法，有望推动绿色生物燃料生产技术的发展，在生物能源领域具有潜在的应用价值，为缓解能源危机和环境问题提供了新的解决方案。