TiO? 负载量对伊拉克天然沸石催化剂结构性质及催化性能的影响（用于生物柴油生产）

《Biomass and Bioenergy》：Influence of TiO 2 loading on the structural properties and catalytic performance of Iraqi natural zeolite catalysts for biodiesel production

　　**摘要**- TiO?负载改变了伊拉克天然沸石的性质和酸性。- 10 wt% TiO?/沸石提供了最佳的孔可及性和表面酸性。- 在优化条件下，生物柴油收率达到96.5%。- NH?-TPD确认了10 wt% TiO?/沸石催化剂具有最高的酸性。- 经过三次重复使用循环后，催化剂保留了初始活性的92.2%。**引言**能源危机和温室气体排放水平过高导致人们对可再生能源和可持续能源的兴趣日益增加。生物柴油似乎是最好的候选替代品之一，它是可生物降解的、无毒的、可再生的，并且可以由各种类型的原材料生产，例如植物油、废食用油和动物脂肪[1]。与常规石油柴油相比，生物柴油排放的碳氧化物、未燃烧烃类、颗粒物及含硫化合物要少得多。通常，生物柴油是在催化剂存在下通过甘油三酯与短链醇（甲醇）的酯交换反应获得的[2]。催化剂的性能对于反应的效率、生物柴油的收率，以及催化剂的耐用性和生产过程的可可持续性至关重要，这也解释了研究界为何关注于开发高效的多相催化剂[[3], [4], [5]]。废食用油是生物柴油最有前景的来源之一，它价格低廉、广泛可得且完全环保[6]。沸石是多孔水合铝硅酸盐，其特点是具有三维骨架结构，其中包含碱金属元素（如钠和钾）、碱土金属元素（包括钙、镁，以及较少见的钡和锶）或其他一价或多元金属的阳离子[7]。沸石的多孔结构有助于催化活性物种的有效沉积。由于伊拉克天然沸石产自伊拉克全境众多不同的地质矿床，因此具有一些有益的物理化学性质，包括高硅浓度、低密度、多孔固体以及优异的吸附和/或保留能力，这使其作为催化材料的载体时，有助于在环境和能源领域的催化过程中分散和稳定活性催化物种[[8], [9], [10], [11]]。Senila和Cadar报告指出，化学和物理处理可增强天然沸石的吸附能力、离子交换性能和表面性质，从而扩展其在环境治理和催化领域的应用潜力[12]。近年来，混合催化剂在生物柴油生产中引起了极大的关注，因为它们能够整合多种催化功能，从而提高催化活性、热稳定性、抗浸出能力和可重复使用性。正如Ramlee等人（2026年）所强调的，混合催化体系在可持续性和技术经济可行性方面优于传统的单一组分催化剂。在这方面，伊拉克天然沸石是混合催化剂极具吸引力的载体材料，这归功于其多孔结构和优异的吸附能力。这些性质促进了活性催化物种的均匀分散，从而显著提高生物柴油的生产性能[13]。此外，Zhang等人（2025年）报告指出，金属氧化物是高效的催化剂，因为它们具有优异的催化性能、热稳定性、对游离脂肪酸和水的耐受性以及良好的可重复使用性。因此，开发高效的金属氧化物催化剂对于实现环境可持续的生物柴油生产以及成本效益或大规模工业应用至关重要[14]。Salam等人（2025年）也利用元高岭土制备了沸石Y，并研究了其在生物柴油生产中的应用。他们的技术经济研究证实了大规模实施的可行性，并强调了沸石基催化剂的经济可行性，支持其在可持续工业生物柴油生产中的潜在应用。此外，Seejandee等人（2025年）报告指出，钾改性NaY沸石在生物柴油生产中表现出优异的催化性能，生物柴油收率达99%，并且在多次重复使用循环中保持了高活性。这些发现表明，改性沸石材料可作为生物柴油合成的有效且耐用的催化剂[15]。另外，Tarigan等人（2025年）利用废弃的鸡蛋壳制备了CaO/沸石复合催化剂，并成功将其用于从高游离脂肪酸含量的原料中生产生物柴油。该催化剂的生物柴油转化率达97.7%，并且在多次重复使用循环中表现出稳定的性能。因此，沸石负载金属氧化物催化剂展示了利用绿色材料和能源高效工艺生产生物柴油的潜力[16]。Adhithan等人（2025年）证明了使用铁或锌涂覆沸石作为生物柴油添加剂可以改善柴油发动机性能并减少有害排放。本研究的新颖之处在于系统地研究了TiO?负载量对伊拉克天然沸石催化剂结构性质和生物柴油生产催化性能的影响。先前关于改性沸石催化剂的研究主要集中在碱金属和碱土金属氧化物族的金属上。然而，关于使用二氧化钛来改性天然沸石（尤其是来自伊拉克的天然沸石）的研究不足。此外，关于利用伊拉克天然沸石生产生物柴油的研究也很少。而且，迄今为止，尚未对TiO?负载量对伊拉克天然沸石结构、化学行为和催化行为的影响进行系统性研究。尽管已有几项研究探讨了利用沸石基催化剂从废食用油中生产生物柴油，但关于TiO?负载量对伊拉克天然沸石影响的研究仍显不足。因此，本研究将使用5%、10%和15%的二氧化钛负载量来改性伊拉克天然沸石，并通过多种方法对其进行表征，包括X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、BET法、场发射扫描电子显微镜与能谱分析，以及氨和二氧化碳程序升温脱附。本研究还采用了全因子设计统计优化方法，评估催化剂配方和工艺参数对生物柴油生产的影响，优化反应参数，并建立催化剂性质与生物柴油收率之间的关系。本研究的目的是通过分析不同TiO?负载量如何影响最终催化剂产品的性质，确定废食用油生物柴油收率的最佳催化剂组成。本研究将有助于利用伊拉克本地材料开发成本低、环保且高效的催化体系。**部分摘要****材料**本研究利用伊拉克天然沸石作为催化剂载体。在催化剂制备之前，通过X射线荧光分析鉴定了天然沸石的元素组成。XRF结果在"结果与讨论"部分展示。本研究所选用的天然沸石来自伊拉克。伊拉克天然沸石主要由clinoptilolite型铝硅酸盐矿物组成，其特征为——**不同TiO?负载量（5、10和15 wt%）的TiO?–沸石催化剂的表征**5 wt% TiO?（样品1）、10 wt% TiO?（样品2）和15 wt% TiO?（样品3）的TiO?负载沸石催化剂的FTIR光谱如图3所示，相关的波段归属列于表2。所有三个样品显示出相似的谱图特征（图3），表明TiO?的存在并未显著改变天然沸石载体的基本结构。高波数区域显示，每种催化剂在3622至——处均表现出一个宽吸收带**结论**利用溶胶-凝胶法成功制备了基于伊拉克天然沸石的TiO?催化剂，同时保持了天然沸石的结构完整性。在所制备的催化剂中，含10 wt% TiO?/沸石的催化剂表现出最佳的催化性能，这归功于其适宜的结晶度、表面酸性、孔性质以及TiO?的均匀分散，生物柴油收率最高达96.5 ± 0.6%。基于广义线性模型的方差分析和Tukey's HSD检验表明——**作者贡献声明****Younis Muhsin Younis Al-Ani：** 起草初稿、监督、方法学、概念化。**Ali Mousa Ridha：** 审稿与编辑、验证、软件。**Fatima L. Mohammed：** 资源、调查、数据整理。**Dheyaa Abdulraheem Khalaf：** 验证、软件、正式分析。**Firas Hashim Kamar：** 审稿与编辑、资源、资金获取。**生成式AI和AI辅助技术在稿件撰写过程中的声明**在准备本稿件的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Grammarly来改善稿件的语言、语法和可读性。作者审阅并编辑了所有输出内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的财务利益冲突或个人关系。Younis Muhsin Younis Al-Ani | Ali Mousa Ridha | Fatima L. Mohammed | Dheyaa Abdulraheem Khalaf | Firas Hashim Kamar