超声辅助合成酸性Al-MCM-41催化剂用于葡萄糖高效选择性制备5-羟甲基糠醛(HMF)

本研究针对生物质转化中葡萄糖选择性制备5-羟甲基糠醛(HMF)的催化效率问题，通过超声辅助法在室温下合成铝掺杂介孔材料Al-MCM-41，实现90%葡萄糖转化率和60% HMF选择性。该催化剂兼具Br?nsted酸位(BAS)和Lewis酸位(LAS)协同作用，为生物质高值化利用提供了新型高效催化体系。

　　

随着化石能源枯竭和环境问题加剧，利用可再生生物质资源生产高附加值化学品成为研究热点。其中，葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛(HMF)因其可作为平台分子合成燃料和化学品而备受关注。然而，传统催化体系存在转化效率低、选择性差等问题，亟需开发兼具Br?nsted酸(BAS)和Lewis酸(LAS)双功能的高效催化剂。

为解决这一挑战，研究人员开发了超声辅助室温合成铝掺杂介孔分子筛Al-MCM-41的新方法。通过调控Si/Al比优化催化剂酸性，结合多种表征技术系统研究了材料结构与催化性能的关系。研究发现超声处理能促进铝物种分散，提高酸位密度，在DMSO/H₂
O混合溶剂中实现葡萄糖转化率90%和HMF选择性60%的优异性能。该成果发表于《Materials Today Sustainability》，为生物质催化转化提供了新思路。

研究采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、N₂
吸附-脱附、氨程序升温脱附(NH₃
-TPD)、吡啶吸附红外光谱(Py-FTIR)和固体核磁共振(²⁹
Si/²⁷
Al MAS NMR)等技术表征材料结构；通过高效液相色谱(HPLC)分析反应产物；在密闭玻璃反应器中评估催化性能，考察温度、时间等参数对反应的影响。

3.1 Al-MCM-41-x的物理化学性质
超声辅助法成功合成Si/Al比低至10的Al-MCM-41，保持有序介孔结构。表征显示铝以四面体配位(Al_tetr
)、五配位(Al_penta
)和八面体配位(Al_oct
)形式存在，其中Al_penta
物种增强酸强度。随铝含量增加，比表面积从1083降至847 m²
/g，但酸位总数从179增至423 μmol/g。

3.2 Al-MCM-41-x在葡萄糖转化中的催化性能
在DMSO:H₂
O=7:3溶剂中，Al-MCM-41-10在160°C反应2小时表现最佳。温度实验显示170°C时HMF选择性达73%。对比微孔ZSM-5和Beta分子筛，介孔结构显著提升传质效率。五轮循环测试表明催化剂稳定性良好。

3.3 Sn-MCM-41的超声辅助合成及其催化活性
该方法成功拓展至Sn-MCM-41合成，UV-vis证实锡以骨架形式存在。虽然酸性较弱导致HMF产率(48%)低于铝基催化剂，但验证了方法的普适性。

该研究创新性地采用超声辅助法快速构建酸性可调的介孔催化剂，揭示了Al_penta
物种对增强酸强度的关键作用。Al-MCM-41-10优异的催化性能源于其介孔结构促进底物扩散、BAS/LAS协同催化葡萄糖异构化-脱水路径。该工作为设计生物质转化催化剂提供了新策略，超声合成方法可推广至其他杂原子掺杂介孔材料制备。