改性蒙脱石固酸催化剂构建的全组分可回收体系中纤维素高效转化5-羟甲基糠醛(HMF)的研究

本文推荐：研究团队以天然蒙脱石(MMT)为载体，通过铪离子(Hf4+)交换和磺化处理构建双功能固体酸催化剂(Hf/MMT-S)，在水(NaCl)/四氢呋喃(THF)双相体系中实现纤维素高效转化为5-羟甲基糠醛(HMF，产率50%)。该体系通过简单过滤、蒸馏和萃取实现催化剂、溶剂、产物全组分回收，为零废弃生物质高值化利用提供新策略。

　　

Highlight

本研究巧妙利用天然层状蒙脱石(MMT)的优异膨胀性和阳离子交换能力，通过铪离子(Hf⁴⁺)饱和交换与磺化处理，成功构建了兼具路易斯酸(LAS)和布朗斯特酸(BAS)位点的双功能改性固体酸催化剂Hf/MMT-S。

Materials and catalyst preparation

微晶纤维素、5-羟甲基糠醛（标准试剂）、四氯化铪和蒙脱石(K-10)购自阿拉丁试剂公司。通过离子交换法合成铪离子改性蒙脱石(Hf/MMT)：将5g MMT分散于100mL去离子水中，加入过量HfCl₄溶液(0.1M)，80°C搅拌12小时后离心洗涤，60°C真空干燥。随后用浓H₂SO₄磺化获得Hf/MMT-S催化剂。

Catalyst characterization

图1展示了改性蒙脱石催化剂的调控策略。XRD显示2θ=5.6°处的(001)晶面衍射峰证实了蒙脱石的层状结构，经Hf⁴⁺交换和磺化后层间距显著扩大。NH₃-TPD证实Hf/MMT-S同时具备中等强度LAS（源自Hf物种）和强BAS（源自-SO₃H），总酸量达1.28 mmol/g。

Conclusion

在NaCl水溶液/THF双相体系中，Hf/MMT-S在200°C反应2小时可实现纤维素向HMF的高效转化（产率50%）。捕获的中间体揭示了特异性催化路径：葡萄糖经开环异构化为果糖，随后闭环脱水生成HMF，伴随C₃-C₂₄副产物分子。该催化剂循环使用5次后仍保持良好活性，且整个催化体系可通过简单物理方法实现全组分回收。