沸石负载CuO催化剂在甘油增值制备丙烯酸中的性能增强研究

本研究针对生物柴油产业副产物甘油的高值化利用问题，开发了CuO/HY双功能催化剂，通过一步法脱水-氧化反应将甘油高效转化为丙烯酸。研究人员通过调控CuO负载量(1%-5%)和H2 O2 添加策略，在90℃温和条件下实现35.2%的丙烯酸收率，为可再生资源转化提供了新型催化体系。该成果发表于《Heliyon》，对生物质资源的高效利用具有重要指导意义。

　　

随着全球能源消费激增和温室气体排放问题加剧，生物柴油作为可再生能源备受关注。然而每生产1吨生物柴油就会产生约100公斤副产物甘油，其过剩导致经济价值骤降。传统丙烯酸生产依赖石油基原料丙烯的两步氧化工艺，而利用可再生甘油通过化学催化转化制备丙烯酸，既能实现生物质资源高值化利用，又能减少对化石原料的依赖。但现有技术存在反应温度过高(300℃)、催化剂易失活、产物收率低(27.5%)等问题，亟需开发高效温和的催化体系。

印度尼西亚大学化学系的研究团队在《Heliyon》发表研究，设计出CuO修饰的HY沸石(CuO/HY)双功能催化剂。该催化剂利用HY沸石的布朗斯特酸(Bronsted acid)位点催化甘油脱水为丙烯醛，同时通过CuO的氧化还原位点将中间体转化为丙烯酸。通过优化CuO负载量(3%)和分阶段添加H₂
O₂
的策略，在90℃低温条件下实现了35.2%的丙烯酸收率，为生物质转化提供了新思路。

研究采用的主要技术包括：HY沸石的水热合成与铵离子交换制备、湿法浸渍法负载CuO纳米颗粒(7.6nm)、多手段表征(SEM-EDX/TEM/XRD/BET)、液相反应体系优化(时间/催化剂负载量/氧化剂添加方式)、以及HPLC和LC-MS产物分析。

催化剂表征结果
通过XRD证实CuO成功负载于HY沸石且保持晶体结构，FTIR显示CuO与沸石羟基的酸碱相互作用。SEM显示CuO均匀分散于沸石表面，TEM测得CuO粒径为6.9-9.34nm。BET分析表明3%CuO/HY具有最大比表面积(466.7 m²
/g)，孔道未被完全堵塞。

催化性能优化
对比不同CuO负载量(1%-5%)发现，3%CuO/HY在5小时反应中获得31.9%丙烯酸收率。控制实验证实H₂
O₂
氧化剂和CuO redox位点的协同作用至关重要——无H₂
O₂
时收率仅7%。创新性地采用"3小时脱水+3小时氧化"的分阶段H₂
O₂
添加策略，使丙烯酸收率提升至35.2%，LC-MS通过m/z 72特征峰确证产物结构。

讨论与意义
该研究通过精准设计双功能催化剂，实现了甘油在温和条件下的一锅法转化。HY沸石的大孔结构和适宜酸度有利于丙烯醛中间体的形成，而CuO的Mars-van Krevelen氧化机制促进了丙烯酸生成。相比传统气相法(300-350℃)，液相体系大幅降低能耗；相较同类研究，收率提高28%(从27.5%至35.2%)。研究成果为生物质资源的高效转化提供了新催化体系，对推动绿色化学工业和可持续发展具有重要意义。未来研究可进一步探索催化剂寿命提升和反应机理的精确调控。