将煤粉灰转化为沸石Y催化剂，以提高葡萄糖向5-羟甲基糠醛的转化效率

《ACS Sustainable Resource Management》：Valorization of Coal Fly Ash into Zeolite Y Catalyst for Enhanced Glucose to 5-Hydroxymethylfurfural Conversion

本研究从印度贾尔肯德煤灰飞灰（CFA）中成功合成Zeolite Y催化剂（CFA-ZY），通过XRD、TPD、FT-IR等多手段表征，证实其具有高酸性和稳定的晶体结构。在15 bar、140℃条件下，CFA-ZY实现98%葡萄糖转化率和78% HMF选择性，且经五次循环后活性保持稳定。DFT计算表明，CFA-ZY的Lewis和Bronsted酸性位点协同作用促进葡萄糖脱水反应，为煤基固废资源化提供了高效解决方案。

　　在当今社会，随着对环境问题的关注不断加深，以及相关法规的日益严格，研究者们越来越重视开发高效且可持续的催化剂。这些催化剂在大规模工业过程中发挥着关键作用，有助于减少污染并推动环保实践。与此同时，全球人口的持续增长和生活水平的提高，使得对能源和化学品的需求不断上升。煤炭作为主要的能源来源之一，占据了全球约27%的能源消耗，然而其广泛使用也带来了大量煤飞灰（Coal Fly Ash, CFA）的产生。这些煤飞灰不仅占据了大量土地，还可能造成土壤污染、地下水污染等环境问题。例如，仅在中国，每年就有超过15亿吨的煤飞灰被产生，覆盖了约17,297英亩的土地，这使得其处理成为一个重大挑战。尽管煤飞灰因其高硅铝含量（68–75 wt%）而被认为是一种有潜力的沸石合成前驱体，但目前其利用程度仍然有限，尤其是在工业化和环保应用方面。

研究者们已经意识到，通过合理利用煤飞灰，不仅可以减少其对环境的负面影响，还可以将其转化为高价值的催化材料。本研究首次报道了一种从煤飞灰中合成的Zeolite Y（CFA-ZY）催化剂，并成功将其用于将葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛（HMF）的反应中。HMF作为一种高价值的平台化学品，广泛用于生产有价值的化合物，如乙酰丙酸、甲酸、醛类、醇类、胺类以及具有潜力的燃料，如2,5-二甲基呋喃（DMF）。因此，HMF的生产被认为是减少对非可再生资源依赖的重要途径之一。

然而，传统的HMF生产方法通常涉及使用强酸或均相催化剂，这些方法虽然在反应活性方面表现良好，但存在腐蚀性、分离困难以及环境污染等问题。相比之下，异相催化剂如金属氯化物（如CrCl?、FeCl?、AlCl?）、负载金属、硫酸化氧化锆和杂多酸等，虽然在环保性方面有所改善，但它们的使用条件往往较为苛刻，或者其成本较高。在此背景下，研究者们开始探索更加环保、低成本的催化剂，如生物质衍生的活性炭催化剂，这些催化剂在双相系统中使用水和THF等溶剂时，显示出一定的潜力。然而，现有的研究仍然较为有限，尤其是在基于煤飞灰的催化剂方面。

本研究中，CFA-ZY催化剂在优化条件下（140°C、6小时）实现了98%的葡萄糖转化率和78%的HMF选择性，这一结果在绿色溶剂水中表现出色。这表明CFA-ZY不仅具有高催化活性，还具备良好的环境友好性。催化剂的酸性在反应过程中起着至关重要的作用，其中Lewis酸位点和Br?nsted酸位点分别负责葡萄糖向果糖的异构化以及果糖向HMF的脱水反应。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究者们进一步揭示了催化剂表面活性位点的作用机制，表明在同时存在这两种酸性位点的情况下，HMF的生成过程更为高效。

在对CFA-ZY催化剂进行性能评估时，研究团队还对催化剂的稳定性和可回收性进行了系统分析。结果显示，该催化剂在五次连续循环后仍能保持其催化活性，且在再生处理后表现出相同的XRD图样，说明其结构稳定、催化性能优异。这种可回收性对于推动可持续化学生产具有重要意义，因为它不仅减少了催化剂的浪费，还降低了长期使用过程中的成本和环境负担。

此外，CFA-ZY催化剂的表面特性、孔隙结构以及元素组成也得到了详细表征。通过XRD、NH?-TPD、吡啶-IR、FT-IR、BET、XPS、固态MAS NMR、SEM、HR-TEM和TGA等手段，研究团队确认了CFA-ZY催化剂的多孔结构和高比表面积，这些特性有助于提高其催化效率。同时，元素分析显示，钠元素在CFA-ZY中的含量显著增加，而其他如钛、铁、钾、磷、钙和镁等元素则减少，这可能是因为在催化剂合成过程中，这些元素被洗脱或转化为其他形式。

从实际应用的角度来看，CFA-ZY催化剂的开发为煤飞灰的高效利用提供了一条新的思路。传统的煤飞灰处理方法往往忽视了其潜在的工业价值，而本研究则通过催化剂合成，将这一工业废弃物转化为具有高附加值的催化材料。这种做法不仅有助于减少煤飞灰的环境危害，还能够为可持续化学生产提供新的资源来源。通过合理利用煤飞灰，不仅可以降低原料成本，还能减少对环境的负担，从而推动绿色化学的发展。

另一方面，HMF的生产也可以减少对化石燃料的依赖，为生物基化学品的开发提供支持。HMF的广泛应用意味着它在多个工业领域都具有重要的价值，例如在塑料、药品、燃料等领域的应用。然而，目前HMF的生产仍面临诸多挑战，如反应条件的优化、催化剂的选择以及产物的纯化等。本研究中，CFA-ZY催化剂的高活性和稳定性为解决这些问题提供了可行的方案。

总的来说，CFA-ZY催化剂的开发不仅具有重要的科学意义，还对环境保护和可持续发展具有深远的影响。通过将煤飞灰这一工业废弃物转化为高价值的催化剂，不仅可以提高资源利用率，还能减少环境污染。这种做法体现了循环经济的理念，即通过重新利用废弃物，实现资源的高效循环和环境的可持续发展。未来，随着对绿色化学和可持续资源管理的进一步重视，CFA-ZY催化剂有望成为一种重要的工业催化剂，为实现低碳、环保的化学工业提供新的解决方案。