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随着能源需求增长，生物柴油产业蓬勃发展，其副产物甘油的有效利用成为关键。研究人员以介孔二氧化硅 Cu-FSM-16 为催化剂，开展甘油催化缩醛化制备缩酮甘油酯（solketal）的研究，最高产率达 76%，该成果为甘油转化利用提供了新途径。
在当今世界，能源问题一直是全球关注的焦点。随着经济的飞速发展和人口的持续增长，全球对能源的需求犹如火箭般直线上升。在众多能源中，化石燃料因其价格亲民且来源广泛，成为许多发展中国家的主要能源支柱。然而，随着时间的推移，石油资源逐渐枯竭，温室气体排放带来的环境问题也日益严峻，这使得寻找可持续且可再生的能源替代品迫在眉睫。
生物柴油作为一种备受瞩目的可再生能源，在这样的大背景下迅速崛起。它不仅能有效减少 70% 的二氧化碳排放，助力缓解环境污染问题，还能通过甘油三酯与甲醇的酯交换反应大量生产，因此在全球范围内的产量大幅增加。但生物柴油生产过程中会产生大量甘油，约占总重量的 10%。甘油由于其低热值以及含有三个羟基等特性，并不适合直接作为燃料使用。不过，甘油凭借其独特的物理化学性质，在转化为其他有用化学产品方面潜力巨大，比如通过氢解、脱水、氧化、羰基化、酯化、重整、醚化、缩酮化和缩醛化等反应，可制备多种产品，其中缩酮甘油酯（solketal）作为甘油与丙酮缩醛化的产物，不仅在工业领域应用广泛，还能作为生物柴油的绿色燃料添加剂，改善燃料的冷流性能、提高辛烷值、控制排放并降低粘度，对环境的危害也相对较小。
为了实现甘油的高效转化利用，科研人员一直致力于寻找合适的催化剂。传统的酸性均相催化剂，如 H2SO4、H3PO4、HF 和 HCl 等，虽然在缩醛化反应中表现出较高的活性，但存在稳定性差、难以分离回收、腐蚀性强、成本高昂以及对环境不友好等诸多缺点，这极大地限制了相关研究的深入开展。而异相催化剂因其具有环保无毒、易于分离、可循环使用等优势，在有机化学领域，尤其是甘油升级和回收利用方面，逐渐崭露头角。在众多异相催化剂中，介孔催化剂凭借其较大的比表面积和良好的热稳定性，成为研究热点。但此前，对于由水硅酸钠衍生的介孔材料 FSM-16，其合成及应用研究相对较少，尤其是将其用于合成缩酮甘油酯的研究更是空白。
在此背景下，研究人员开展了关于利用介孔二氧化硅 Cu-FSM-16 催化甘油缩醛化制备缩酮甘油酯的研究。该研究成果发表在《Applied Catalysis A: General》上，为甘油的转化利用开辟了新的道路。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）来观察催化剂的微观形貌；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）分析催化剂的结构和成分；借助 N2吸附 - 脱附等温线（BET）测定比表面积；采用 Hammidt 滴定法测定催化剂的酸位点数量；最后通过核磁共振（NMR）对反应溶液中的主要产物缩酮甘油酯进行分析。
材料合成与表征
研究中使用的所有化学品均为分析纯（AR）和高效液相色谱（HPLC）级。在催化剂合成方面，通过水热和浸渍法制备了负载金属的介孔催化剂 5 wt.% Cu-FSM-16，其中 FSM-16 作为载体。从 FE-SEM 表征结果来看，FSM-16 呈现出丝状结构，粒径分布均匀且具有规则的球形形貌；而 5 wt.% Cu-FSM-16 则表现为结晶球形颗粒的聚集体，粒径分布不均匀，但强度较高。这些微观结构特征为后续的催化性能研究提供了重要基础。
催化反应条件优化
研究人员对影响甘油缩醛化反应的多个参数进行了考察，包括催化剂用量、甘油与丙酮的摩尔比、反应时间和反应温度等。经过一系列实验摸索，发现当催化剂用量为甘油质量的 7 wt.%、甘油与丙酮摩尔比为 1:2、反应时间为 2.5 h、反应温度为 333 K 时，缩酮甘油酯的产率达到最高，为 76%。这一结果表明，通过精准调控反应条件，可以显著提高目标产物的生成效率。
催化剂的活性和可重复性
研究发现，制备的 Cu-FSM-16 催化剂在甘油缩醛化反应中表现出良好的活性和可重复性，在多达 4 个循环的实验中，催化性能始终保持稳定。这一特性使得该催化剂在实际工业生产中具有极大的应用潜力，能够有效降低生产成本，提高生产效率。
动力学模型建立
为了深入了解反应机理，研究人员建立了 LHHW 动力学模型。通过该模型，不仅能够计算出反应的平衡常数，还获得了反应的活化能。这为进一步优化反应条件、深入研究反应动力学提供了重要的理论依据。
研究成功制备出介孔催化剂 5 wt.% Cu-FSM-16，并将其应用于甘油催化缩醛化制备缩酮甘油酯的反应中。通过对催化剂的结构表征、反应条件优化、活性和可重复性测试以及动力学模型建立，全面深入地研究了该反应体系。该研究成果意义重大，一方面为甘油这一生物柴油副产物找到了高效的转化利用途径，有助于推动生物柴油产业的可持续发展；另一方面，新型介孔催化剂 Cu-FSM-16 的成功开发，为其他类似的催化反应提供了新的思路和参考，有望在更多的有机合成领域得到广泛应用，为相关工业生产带来新的变革。
