高稳定性W-Nb-O混合氧化物催化木糖脱水制备糠醛：酸性质调控与反应机理研究

本研究针对生物质转化中C5糖高效转化为糠醛的难题，开发了具有可调Br?nsted/Lewis酸位点的W-Nb-O混合氧化物催化剂。通过水热法合成的W0.20Nb0.80Ox在单相水/乙醇体系中展现出0.683 gFur·gCat-1·h-1的高生产率，其催化活性和选择性媲美工业硫酸催化剂，且可循环使用三次而无明显失活，为绿色糠醛生产提供了新策略。

　　

在化石资源日益枯竭的背景下，利用可再生生物质生产高附加值化学品成为全球研究热点。糠醛作为重要的平台分子，可通过C5糖脱水制备，但现有工业硫酸催化工艺存在腐蚀性强、废酸处理难等问题。尽管固体酸催化剂被广泛探索，但普遍面临活性低、易失活等挑战。

为解决这一难题，来自西班牙瓦伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València）的研究团队设计了一系列具有六方钨青铜（HTB）或假晶结构的W-Nb-O混合氧化物催化剂。通过精确调控W/Nb比例，实现了酸性质（Br?nsted/Lewis酸位点比例）和织构特性的定向设计。相关成果发表在催化领域权威期刊《Applied Catalysis A: General》上。

研究采用水热合成结合氮气氛围热处理（550°C）制备催化剂，通过XRD、NH₃-TPD、原位NH₃-IR、Raman光谱和HRTEM等技术系统表征材料性质。在160°C、10 wt%木糖水溶液体系中评价催化性能，并考察了单相（水/乙醇）与双相（水/甲苯）溶剂体系的影响。

3.1 催化剂结构与性质
XRD证实低Nb含量（<30%）样品保持HTB结构，而高Nb样品呈现假晶结构。NH₃-IR显示随着Nb含量增加，Lewis酸位点（1608 cm^-1特征峰）占比升高，W_0.20Nb_0.80O_x的Lewis/Br?nsted酸位点比达2.16。比表面积从W_1.0O_x的16 m²/g显著提升至W_0.20Nb_0.80O_x的134.8 m²/g。

3.2 催化性能优化
在单相水体系中，W_0.20Nb_0.80O_x展现出最佳性能：1小时反应实现96.1%木糖转化率和38.8%糠醛选择性，产率达37.3%，与5 wt%硫酸相当。引入乙醇溶剂后，糠醛产率进一步提升至41.4%，归因于乙醇可能通过形成木糖苷醚中间体促进反应。

3.3 稳定性与机理
催化剂经三次循环后活性保持95%，XRD和ICP证实结构稳定性。14天连续反应测试显示材料具有优异的水热稳定性。结合中间体检测，推测反应主要通过木糖直接脱水路径（环状机理）进行，Lewis酸位点协助呋喃环形成。

该研究通过分子水平设计实现了固体酸催化剂性能的突破，其0.683 g_Fur·g_Cat^-1·h^-1的生产率优于多数报道的双相体系催化剂（如MCM-Nb16的0.383）。特别值得注意的是，研究首次在固体酸催化体系中系统报道了>75%的碳平衡数据，为工艺经济性评估提供了可靠依据。这项工作不仅为生物质精炼提供了高效催化剂设计范式，其产物糠醛作为可持续航空燃料（SAFs）关键前体的潜在应用，更契合欧盟HIGFLY项目的战略发展方向，展现出广阔的工业化前景。