单簇异质催化剂Ce(DS)2 H4 AlW12 O40 的设计及其在水相/双相体系中高效催化纤维素转化为5-HMF的研究

为解决纤维素高效转化为5-羟甲基糠醛(5-HMF)的催化难题，研究人员设计了一种新型两亲性三杂多酸Ce(DS)AlW12 单簇催化剂。该催化剂通过Ce3+ 桥接阴离子表面活性剂(DS)与杂多阴离子(AlW12 O40 5- )，在水相中形成具有Br?nsted/Lewis双酸中心的纳米胶束，实现了纤维素转化63.7%选择性和双相体系83.8%收率的突破，为生物质高值化利用提供了新策略。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，生物质资源的开发利用成为全球关注焦点。纤维素作为自然界最丰富的可再生有机碳源，其高效转化为高附加值化学品5-羟甲基糠醛(5-HMF)被视为替代石油基产品的关键路径。然而，纤维素固有的刚性结构和水中不溶性导致传统催化剂面临质量传递障碍，而5-HMF在水相中的不稳定性又造成选择性低下。现有催化体系如双功能沸石或杂多酸(HPA)虽取得进展，但普遍存在活性位点遮蔽、反应条件苛刻等问题，亟需开发兼具高效催化与产物保护的新型催化剂。

中国科学院长春应用化学研究所等机构的研究人员创新性地设计出两亲性三杂多酸Ce(DS)₂
H₄
AlW₁₂
O₄₀
（简称Ce(DS)AlW₁₂
）单簇异质催化剂。该研究通过元素分析(ICP-ES)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和分子动力学(MD)模拟等技术，证实催化剂在水相中自组装形成核壳结构纳米胶束：疏水内核由Ce(DS)⁺
构成，表面均匀分布的AlW₁₂
O₄₀
^5-
作为孤立活性位点。

材料设计与结构表征
通过质子交换法将Ce³⁺
与十二烷基磺酸盐(DS)及AlW₁₂
O₄₀
^5-
精准配位，成功构建兼具Br?nsted酸（来自H⁺
）和Lewis酸（来自Ce³⁺
）的双功能催化剂。²⁷
Al NMR显示Al原子保持四面体配位，证实杂多阴离子结构完整性。MD模拟揭示DS链通过疏水作用形成内核，而Ce³⁺
与聚阴离子的静电作用稳定了胶束界面。

催化性能研究
在水相反应中，Ce(DS)AlW₁₂
展现"三位一体"催化机制：DS链吸附纤维素，表面暴露的AlW₁₂
O₄₀
^5-
/Ce³⁺
提供B/L双酸中心协同催化水解-异构化反应，疏水内核则原位萃取保护5-HMF。150℃反应2小时获得63.7%选择性，显著优于传统H₃
PW₁₂
O₄₀
（52.7%）。在H₂
O/MIBK双相体系中，5-HMF收率进一步提升至83.8%，证实界面传质优化效果。

结论与展望
该研究突破传统杂多酸催化剂设计局限，通过"单簇异质化"策略实现活性位点全暴露与质量传递协同优化。创新性引入阴离子表面活性剂构建两亲性结构，为解决生物质转化中固-液界面反应难题提供新思路。未来可通过调控金属离子种类（如Cr³⁺
、La³⁺
）和表面活性剂链长进一步优化催化体系，推动生物精炼产业化进程。论文发表于《Renewable Energy》，为发展绿色化学工艺提供了重要参考。