磁性酸性TiO2催化剂在低共熔溶剂中高效催化果糖和葡萄糖脱水制备5-羟甲基糠醛的研究

研究人员针对生物质转化中5-HMF产率低、催化剂不可回收等问题，开发了磺酸功能化γ-Fe2O3@TiO2磁性催化剂，在DESs中实现果糖/葡萄糖分别高达98%/96%的5-HMF产率，其介孔结构和酸性位点协同作用为绿色化学提供了新策略。

　　

随着化石能源危机加剧，生物质资源的高值化利用成为全球研究热点。其中，将碳水化合物转化为5-羟甲基糠醛(5-HMF)尤为关键——这种"黄金平台分子"可衍生出聚合物、燃料添加剂等高附加值产品。然而传统工艺面临严峻挑战：均相催化剂难以回收、有机溶剂污染大，且5-HMF易发生副反应生成乙酰丙酸(LA)和腐殖质。更棘手的是，现有固体酸催化剂往往存在酸性位点不足或传质受限等问题，严重制约工业化应用。

为破解这一系列难题，沙特阿拉伯国王大学(King Saud University)的研究团队创新性地设计出γ-Fe₂O₃@TiO₂@SO₃H磁性纳米催化剂。这种三明治结构的材料巧妙融合了γ-Fe₂O₃的磁响应性、TiO₂的稳定介孔骨架，以及磺酸基团提供的Br?nsted酸性位点。在环境友好的低共熔溶剂(DESs)体系中，仅需60℃温和条件即可实现近定量转化，相关成果发表在《Journal of Immunological Methods》上。

研究团队采用多尺度表征技术验证材料特性：通过FT-IR确认SO₃H成功嫁接，XRD证明γ-Fe₂₃与锐钛矿TiO₂的晶相共存，TEM显示10-15 nm的均匀介孔结构，BET测得高达215 m²/g的比表面积。VSM测试表明催化剂具有16 emu/g的饱和磁化强度，可实现快速磁分离。酸性滴定显示1.8 mmol/g的酸密度，远高于常规固体酸催化剂。

【Synthesis and Structural Overview】部分揭示，逐层组装策略确保γ-Fe₂O₃核被20 nm厚TiO₂壳均匀包裹，后续磺化处理在表面构建密集的-SO₃H位点。这种结构既保护磁性核免受腐蚀，又通过介孔通道暴露活性位点。

【Catalytic Performance】数据显示，在胆碱氯/尿素DES中，催化剂对0.75 M果糖溶液实现98%转化率和>99%选择性。葡萄糖转化稍慢但最终产率仍达96%。对比实验证实，单独使用γ-Fe₂O₃或TiO₂时产率不足40%，凸显复合材料的协同效应。循环测试表明，经5次回收后活性仅下降7%，磁分离后金属溶出量<0.5 ppm。

该研究突破性地解决了生物质转化领域的三大瓶颈：1) 通过磁性功能化实现催化剂高效回收；2) 利用DESs替代有毒有机溶剂；3) 精准调控酸性位点与孔道结构抑制副反应。这种"核-壳-官能团"的设计理念为新一代绿色催化剂开发提供了范式，其温和反应条件对降低工业能耗具有重要启示。正如作者在【Conclusion】强调的，该工作不仅推动生物基化学品生产向碳中和目标迈进，更为多相催化剂的理性设计建立了普适性方法。