咖啡壳衍生酸性生态催化剂在甘油乙酰化反应中的应用：高效转化与选择性调控研究

本研究针对咖啡产业废弃物污染问题，创新性地将咖啡壳转化为固体酸催化剂（CpSA /CpSD /CcSD ），通过热解（900°C）和磺化（-SO3 H）技术制备生态催化剂。研究发现所有催化剂在甘油乙酰化反应中的活性均优于Amberlyst?15，其中CpSA 实现84.4%转化率和4.04%三乙酸甘油酯选择性，为生物质资源高值化利用提供了绿色解决方案。

　　

在全球咖啡产业蓬勃发展的背景下，哥伦比亚作为世界第四大咖啡生产国，每年产生超过80万吨咖啡壳废弃物，这些农业副产物通常被焚烧处理，不仅造成资源浪费，还会释放有害气体污染环境。与此同时，生物柴油产业的快速发展导致甘油过剩，如何将这种副产物转化为高附加值化学品成为研究热点。其中，甘油乙酰化反应生成的三乙酸甘油酯（Triacetin）在化妆品、食品添加剂和燃料领域具有重要应用价值，但现有工业催化剂存在成本高、环境不友好等问题。

针对这一双重挑战，来自哥伦比亚考卡大学的研究团队创新性地提出将咖啡壳废弃物转化为固体酸催化剂（Eco-catalysts），用于催化甘油乙酰化反应。研究人员通过两种热转化途径（高温热解制备石墨化碳Cp和低温碳化制备生物炭Cc）获得碳载体，并采用原位重氮化（SD）和直接磺化（SA）两种方法引入磺酸基团（-SO₃
H），最终获得CpS_A
、CpS_D
和CcS_D
三种催化剂。这项突破性研究成果发表在《Tetrahedron Green Chem》期刊上，为农业废弃物资源化和绿色催化提供了新思路。

研究团队运用了多项关键技术：通过热重分析（TGA）确定咖啡壳热解特性；采用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱表征碳材料晶体结构；利用透射电镜（TEM）观察石墨化碳的层状结构；结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和元素分析检测表面官能团和酸密度；最后通过气相色谱（GC）评估催化活性和产物选择性。所有实验原料均来自考卡大学La Sultana农场的咖啡壳。

【3.1 催化剂表征】部分揭示了材料的关键特性：咖啡壳含有70.75%膳食纤维和21.8%固定碳（TGA数据），是理想的碳前体。XRD和拉曼分析显示，900°C热解获得的Cp材料具有类石墨烯结构（2-4层，I_2D
/I_G
=0.20），而350°C碳化的Cc呈现无定形结构。元素分析证实直接磺化法（SA）可显著提高酸密度，CpS_A
的-SO₃
H含量达1.21%，是重氮化法（SD）的4倍。

【3.2 催化活性】部分展示了令人振奋的结果：在110°C、甘油/乙酸摩尔比1:9条件下，CpS_A
实现84.4%甘油转化率，虽低于Amberlyst?15（91.8%），但周转频率（TOF=569.5 h^-1
）远超商业催化剂（129.3 h^-1
）。特别值得注意的是，所有生态催化剂对三乙酸甘油酯的选择性（CpS_A
达4.04%）均显著高于空白组（1.22%），表明-SO₃
H基团能有效促进连续乙酰化反应。

【稳定性研究】发现CpS_A
在第二轮循环时活性骤降至空白水平（51.7%），元素分析显示硫含量从1.21%降至0.91%，推测是磺酸基团在酸性反应环境中发生脱硫。相比之下，Amberlyst?15在三轮循环后仍保持92.4%的转化率，凸显出现有生态催化剂在稳定性方面的不足。

这项研究的重要意义在于：首次系统评估了咖啡壳衍生碳材料在甘油乙酰化反应中的催化性能，证实生物质基催化剂虽然酸密度较低（0.029-0.376 mmol H⁺
/g），但凭借独特的石墨化结构和表面特性，能实现比商业树脂更高的催化效率。研究团队提出的"高温热解+直接磺化"组合策略，为开发低成本、高活性的绿色催化剂提供了新思路。尽管在循环稳定性方面仍需改进，但这项工作成功实现了农业废弃物"从垃圾到催化剂"的转化，对推动循环经济发展和绿色化学工艺革新具有示范意义。未来研究可优化热解温度（如500-700°C）以平衡材料石墨化程度与磺化效率，或通过表面修饰提高-SO₃
H基团的锚定稳定性。