镍基CeO2 催化剂温和条件下高效催化生物质糠醛加氢制四氢糠醇的机制研究

本研究针对生物质转化中糠醛(FA)加氢制四氢糠醇(THFA)过程的高能耗难题，开发了非贵金属Ni/CeO2 催化剂，在100°C、1 MPa H2 的温和条件下实现96.8%的THFA产率。通过XPS、H2 -TPR等表征证实Ni0 活性位点的高分散性及CeO2 载体氧空位的协同作用，为绿色溶剂THFA的低成本生产提供了新策略。

　　

在化石能源枯竭与环境污染的双重压力下，生物质转化成为可持续发展的重要方向。糠醛(FA)作为木质纤维素生物精炼的核心平台化合物，其加氢产物四氢糠醇(THFA)不仅是可降解的绿色溶剂，更是合成丁二酸、1,5-戊二醇等高值化学品的关键前体。然而，传统THFA生产需贵金属催化剂(如Pd、Pt)或苛刻反应条件(>2 MPa H₂
)，制约其规模化应用。如何开发高效、廉价的非贵金属催化剂，实现FA在温和条件下的全加氢，成为当前研究的卡脖子问题。

湖南大学的研究团队在《Molecular Catalysis》发表的研究中，通过共沉淀法构建了Ni/CeO₂
催化剂体系。XRD与XPS分析显示，20 wt.% Ni负载的催化剂中Ni⁰
物种高度分散，CeO₂
载体表面丰富的氧空位可促进H₂
解离。H₂
-TPR证实NiO与CeO₂
的强相互作用降低了还原温度，CO₂
-TPD则揭示表面碱性位点对FA的吸附活化作用。在100°C、1 MPa H₂
的温和条件下，该催化剂实现FA转化率>99%，THFA选择性达96.8%，且循环5次后活性无明显衰减。

催化剂制备与表征
通过共沉淀法调控Ni(NO₃
)₂
与Ce(NO₃
)₃
比例，经焙烧还原获得不同Ni负载量的催化剂。XRD显示20Ni/CeO₂
无NiO特征峰，表明Ni物种原子级分散；XPS证实Ni⁰
/Ni²⁺
共存且Ce³⁺
/Ce⁴⁺
可逆转化，形成电子转移通道。

反应机理解析
H₂
-TPD证明催化剂表面存在两类氢吸附位点：低温位点(150°C)对应Ni⁰
活性氢，高温位点(400°C)关联CeO₂
氧空位。原位DRIFTS追踪到FA→糠醇(FOL)→THFA的逐步加氢路径，其中CeO₂
碱性位点稳定吸附呋喃环C=O键，Ni⁰
提供氢物种攻击活性位。

稳定性与工业化潜力
对比实验显示，20Ni/CeO₂
的TOF值(转化频率)达0.72 s^-1
，优于文献报道的NiCo/SiO₂
(0.58 s^-1
)。催化剂失活主要源于积碳堵塞孔隙，经400°C空气焙烧可完全再生。经济性评估表明，该工艺较传统Pd基体系降低催化剂成本约90%。

该研究不仅阐明Ni-CeO₂
界面协同催化机制，更突破非贵金属催化剂在呋喃环加氢中的温压限制，为生物质精炼提供兼具学术价值与工业应用潜力的解决方案。第一作者Qing Tang与通讯作者Xianxiang Liu强调，该策略可拓展至其他α,β-不饱和醛的选择性加氢，推动可再生能源化学的创新发展。