韓布興

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，膠體、界面與熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

上圖：二氧化硅包覆雜多酸催化劑的制備途徑；下圖：催化劑的循環(huán)利用性，無(wú)酸添加(a)和添加三氟甲磺酸(b)。

近幾十年來(lái)，生物柴油作為綠色的生物燃料的技術(shù)日趨成熟，在整個(gè)生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大約10% (w，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的副產(chǎn)物甘油，因此通過(guò)催化選擇氧化甘油過(guò)程，獲得高附加值化學(xué)品引起人們極大的關(guān)注。研究表明負(fù)載型貴金屬催化劑對(duì)甘油氧化過(guò)程呈現(xiàn)出較高活性和選擇性1,2，但是反應(yīng)通常需要在堿性條件下進(jìn)行，因此反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸鹽，反應(yīng)混合物需要進(jìn)一步中和酸化，才能得到有機(jī)酸的目標(biāo)產(chǎn)物。另外，貴金屬催化劑表面受到過(guò)度氧化后可能失活3，而且負(fù)載型貴金屬催化劑在實(shí)際應(yīng)用中價(jià)格昂貴。因此，設(shè)計(jì)更高效、低成本的選擇氧化催化劑體系成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。除了分子氧之外，過(guò)氧化氫作為一種強(qiáng)氧化劑，在較溫和的反應(yīng)條件下被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)有機(jī)氧化反應(yīng)中，它的降解產(chǎn)物只有氧氣和水4，因此，近年來(lái)人們對(duì)過(guò)氧化氫作為氧化劑對(duì)甘油進(jìn)行選擇性氧化的路徑也展開(kāi)了探索5–7。

雜多酸是一類(lèi)具有強(qiáng)酸性和優(yōu)良的氧化還原性的化合物，具有容易得到、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，因而雜多酸在催化生物質(zhì)分子氧化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域備受關(guān)注8。雖然雜多酸作為一種高效催化劑在甘油水溶液中催化甘油生成甲酸的研究已有報(bào)道，但是雜多酸在水溶液中具有很高的溶解度，所以催化劑的清潔高效分離是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。為了解決雜多酸催化劑的循環(huán)利用問(wèn)題，華東理工大學(xué)侯震山教授課題組成員利用溶膠-凝膠法和硅烷化方法將雜多酸催化劑封裝在二氧化硅載體內(nèi)部，隨后以傅立葉紅外光譜、X射線(xiàn)衍射儀、熱重分析儀、透射電子顯微鏡、掃描電鏡等手段對(duì)合成的材料進(jìn)行了表征。紅外光譜表明雜多酸在催化劑中保持了其完整的Keggin結(jié)構(gòu)，X射線(xiàn)衍射、透射電鏡表征證明雜多酸高度分散在二氧化硅載體中，掃描電鏡表征顯示催化劑呈球形納米顆粒形貌。他們隨后將二氧化硅封裝的雜多酸催化劑應(yīng)用于甘油氧化反應(yīng)中，以過(guò)氧化氫為氧化劑，在溫和的反應(yīng)條件下，合成的材料對(duì)甘油氧化具有良好的催化活性，其中對(duì)甲酸的選擇性大約為70%，對(duì)乙醇酸的選擇性大約為27%，反應(yīng)之后的催化劑不僅可以回收，而且催化劑經(jīng)過(guò)一次循環(huán)后，轉(zhuǎn)化率由第一次的34%提高到50%左右，對(duì)產(chǎn)物的選擇性基本保持不變。侯震山教授課題組成員發(fā)現(xiàn)硅烷化的后處理過(guò)程對(duì)于催化劑循環(huán)起著重要的作用，單純二氧化硅的比表面積為287 m2·g-1，二氧化硅包覆雜多酸經(jīng)過(guò)硅烷化后，其比表面積降為245 m2·g-1，而且孔徑也有所降低。不僅如此，他們還發(fā)現(xiàn)單純二氧化硅與水的接觸角為0°，而二氧化硅包覆的雜多酸在硅烷化之后的催化劑具有很強(qiáng)的疏水性，與水的接觸角達(dá)到137°。這些表征結(jié)果說(shuō)明硅烷化過(guò)程不僅可以顯著提高催化劑的疏水性，而且同時(shí)縮小了載體孔徑，可阻止雜多酸流失到反應(yīng)體系中，從而使雜多酸被限制在二氧化硅載體中，實(shí)現(xiàn)催化劑的回收利用。為了揭示酸在甘油氧化過(guò)程中對(duì)甘油分子的作用，在反應(yīng)體系中加入Lewis或者Br?nsted酸，發(fā)現(xiàn)加入強(qiáng)Br?nsted酸可以顯著提高反應(yīng)的催化性能，從而說(shuō)明質(zhì)子酸對(duì)甘油分子的活化起著重要的作用。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線(xiàn)發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201711151)，為特刊“綠色化學(xué)”邀請(qǐng)的原創(chuàng)文章10。該工作進(jìn)一步拓展了雜多酸催化劑催化選擇氧化甘油生成甲酸的研究，該體系最大優(yōu)勢(shì)在于甘油選擇氧化反應(yīng)可以在非常溫和條件下進(jìn)行，且催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用。