Pt/Ca双金属改性的N掺杂碳用于呋喃选择性转化为1,2-戊二醇

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pt/Ca Bimetallic-Modified N-Doped Carbon for Selective Conversion of Furfural into 1,2-Pentanediol

选择性催化转化五糠醛为1,2-戊二醇的Pt/Ca共修饰氮掺杂碳催化剂，通过调控金属分散度与表面酸性实现高效协同催化，动力学分析表明氢解为速率控制步骤，平躺吸附构型抑制副产物生成。

　　本文探讨了一种创新的催化剂设计方法，即Pt/Ca共修饰氮掺杂碳催化剂（xPtCa@CN），用于选择性地将糠醛（FF）转化为1,2-戊二醇（1,2-PeD）。这一研究不仅为生物质基化学品的高附加值转化提供了新的思路，还为催化剂设计中的多功能协同效应提供了理论支持。糠醛作为从生物质中提取的重要平台化合物，其氢化反应在化工和生物燃料领域具有广泛应用。然而，传统的FF氢化催化剂往往面临氢化活性不足、产物选择性难以调控等问题，限制了其在工业生产中的应用。

研究发现，Pt/Ca共修饰的氮掺杂碳催化剂通过电子富集微环境与Pt-Ca双金属相互作用，实现了高效的串联反应过程。这一过程包括对呋喃环的氢化以及随后的选择性开环反应。与单一金属催化剂相比，Pt/Ca共修饰的催化剂表现出更强的氢化能力和更高的选择性，能够有效避免副产物如1,5-戊二醇（1,5-PeD）的生成。这表明，通过合理设计催化剂的组成和结构，可以显著提高目标产物的产率，同时降低副反应的发生概率。

在催化剂合成过程中，研究人员采用了一种水热法，这种方法相较于传统的浸渍法，能够更有效地保留Pt元素，从而提高催化剂的性能。通过系统地表征催化剂的结构和性能，研究团队发现Pt的负载量对金属分散度和表面碱性位点的分布具有重要影响。其中，1.5PtCa@CN催化剂在230°C下反应5小时后，1,2-PeD的产率达到64.5%，显示出良好的催化效果。这一结果表明，Pt/Ca共修饰的氮掺杂碳催化剂在实现FF到1,2-PeD的一步转化方面具有显著优势。

为了进一步理解反应机理，研究团队进行了动力学分析。结果表明，四氢糠醇（THFA）的氢解（即开环反应）是决定反应速率的关键步骤。这意味着，在催化剂的设计中，不仅要考虑氢化反应的效率，还需要关注开环反应的条件，以确保最终产物的高选择性。此外，研究还指出，呋喃环在氮掺杂碳壳表面的平面吸附构型有助于抑制副产物的形成，因为它能够选择性地激活C-O键，从而促进目标产物的生成。

在催化剂的表征方面，研究团队利用多种技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等，对催化剂的结构进行了深入分析。这些表征结果揭示了Pt和Ca在氮掺杂碳载体上的分布情况，以及它们如何共同作用以提高催化性能。例如，Pt的高分散度不仅有助于提高氢化活性，还能与Ca相互作用，形成双功能位点，从而促进后续的开环反应。

研究还强调了碳基载体在催化反应中的独特优势。与传统的金属氧化物载体相比，氮掺杂碳载体能够提供更稳定的反应环境，同时通过电子富集效应增强反应物的吸附能力。这种特性使得碳基催化剂在调控反应物吸附构型方面表现出色，从而提高了产物的选择性。此外，氮掺杂碳载体还具有良好的热稳定性和机械强度，这在高温反应条件下尤为重要。

在催化剂的优化过程中，研究团队通过调整Pt的负载量，实现了对金属分散度和表面碱性位点的精确调控。这一策略不仅提高了催化剂的活性，还有效避免了副反应的发生。例如，1.5PtCa@CN催化剂在保持较高氢化活性的同时，能够选择性地促进THFA的开环反应，从而获得高纯度的1,2-PeD。这种双重功能的催化剂设计，为实现FF到1,2-PeD的一步转化提供了有力支持。

从应用角度来看，1,2-PeD作为一种重要的高附加值化学品，在个人护理、生物医药合成和化工领域有着广泛的应用前景。例如，1,2-PeD可用于合成高分子材料、润滑剂、溶剂等，具有较高的经济价值。因此，开发高效、选择性的催化剂对于实现FF的高附加值转化至关重要。本文提出的Pt/Ca共修饰氮掺杂碳催化剂，不仅能够提高1,2-PeD的产率，还能降低生产成本，提高工艺的经济性和可持续性。

在催化剂的设计与优化过程中，研究团队还探讨了多种因素对催化性能的影响。例如，通过引入Ca元素，可以调节催化剂的表面碱性位点分布，从而增强其对特定反应路径的调控能力。此外，Pt的高分散度有助于提高催化剂的活性，减少金属颗粒的团聚现象，从而延长催化剂的使用寿命。这些优化策略为今后的催化剂开发提供了重要的参考价值。

本文的研究成果不仅在理论层面具有重要意义，还为实际工业应用提供了可行的解决方案。通过合理设计催化剂的组成和结构，可以有效克服传统催化剂在活性和选择性方面的不足，实现FF到1,2-PeD的高效转化。这不仅有助于推动生物质基化学品的产业化进程，还为绿色化学和可持续发展提供了新的技术路径。

此外，研究团队还指出，目前关于氮掺杂碳催化剂的研究主要集中在初级氢化产物（如FOL和THFA）的合成上，而对于深氢解反应（即开环反应）的机理研究相对较少。这一研究填补了该领域的空白，为今后深入探讨碳基催化剂在复杂反应中的作用提供了新的视角。通过系统地研究催化剂的结构和性能，研究团队不仅揭示了反应的机理，还为催化剂的进一步优化提供了理论依据。

综上所述，本文通过开发Pt/Ca共修饰的氮掺杂碳催化剂，成功实现了FF到1,2-PeD的一步选择性转化。这一研究不仅为生物质基化学品的高附加值转化提供了新的策略，还为催化剂设计中的多功能协同效应提供了重要的理论支持。未来，随着对催化剂性能的进一步优化和反应机理的深入研究，此类催化剂有望在工业生产中发挥更大的作用，推动绿色化学和可持续发展进程。