多层碳基固体酸催化合成生物基5-羟甲基糠醛的研究

为改善碳基固体酸制备工艺并扩大其在生物基化学品合成领域的应用,利用L-抗坏血酸与对甲苯磺酸(TsOH)直接研磨共混并结合低温碳化制备了多层碳基固体酸催化剂,探究了催化剂制备条件及催化反应条件对果糖转化率和5-羟甲基糠醛(HMF)产率的影响。利用SEM、TG和FT-IR对催化剂进行表征与分析。结果表明,随着酸用量的增加,碳基固体酸形貌由多层片状变为块状,且其内部含有大量多孔结构;催化剂的热分解温度随着酸用量的增加而升高;碳基固体酸表面含有磺酸基、羧基和羟基。碳基固体酸催化果糖合成HMF最佳条件为:TsOH质量为1.5 g、催化剂质量为50 mg、果糖质量为90 mg、反应温度为120℃、反应时间为60 min,此时果糖转化率达到100%,HMF产率为98.5%。

5-羟甲基糠醛在CuPd(111)上的加氢反应机理研究

采用密度泛函理论,利用包含零点能校正的PBE-D3方法研究了5-羟甲基糠醛在双金属催化剂CuPd(111)上表面的加氢还原反应,考虑了两种反应路径,第一种反应路径是侧链上的醛基氧首先发生加氢反应生成F-CHOH中间体,然后F-CHOH中间体继续加氢生成2,5-二羟甲基呋喃;第二种反应路径是侧链上的醛基碳先加氢原还原生成F-CH_(2)O中间体,生成的F-CH_(2)O进一步加氢还原生成2,5-二羟甲基呋喃.计算了两种竞争反应路径的活化能垒和反应热,结果表明,5-羟甲基糠醛在CuPd(111)面加氢还原生成2,5-二羟甲基呋喃的最佳反应路径为:F-CHO→F-CHOH→F-CH_(2)OH.

乳酸菌发酵牛乳产物中5-羟甲基糠醛含量检测方法的建立及其方法学验证

本文建立了一种高效液相色谱法检测乳酸菌发酵牛乳产物中5-羟甲基糠醛含量的方法,并进行了方法学验证。使用Agilent Zorbax SB-Aq色谱柱(250 mm×4.6 mm,5μm)进行色谱分离,以0.1%甲酸溶液-乙腈(98∶2,V/V)作为流动相,设置流速为1.0 mL·min^(-1)、进样量为10μL、柱温为30℃以及检测波长为284 nm,外标法定量。结果表明,5-羟甲基糠醛在0.0302~15.1200μg·mL^(-1)线性关系良好,相关系数R^(2)=0.9999,样品的平均回收率为90.90%。该方法专属性强、稳定性好、耐用性良好,适用于乳酸菌发酵牛乳产物中5-羟甲基糠醛含量的测定。

科教融合创新型实验:CoZn复合催化剂催化5-羟甲基糠醛氢解性能测试

为了将前沿的新材料、新技术和新方法融入到本科基础实验教学中,拓宽化学专业高年级学生的学科视野,通过科教融合,我们设计了一个创新综合实验——CoZn复合催化剂催化5-羟甲基糠醛氢解性能研究。实验内容包括Co/ZnO催化剂的制备、形貌及结构表征、氢解性能测试等。该实验将无机化学、分析化学和物理化学等学科知识相结合,具有创新性、综合性和可操作性等特点,能够有效提升本科学生的科学素养和创新实践能力。

具有超低镍负载的Ni-C_(3)N_(4)高效催化5-羟甲基糠醛氢解制2,5-二甲基呋喃

生物质平台化合物的选择性氢解对生产可持续化学品和燃料具有重要意义.2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种重要的生物基化学品,其不仅可作为汽油添加剂,还可与乙烯发生Diels-Alder环加成脱水反应直接合成生物基对二甲苯.DMF主要通过5-羟甲基糠醛(HMF)氢解制备.当以氢气为氢源时,常用的催化剂体系包括贵金属(如Ru,Pt,Pd)及多种非贵金属(如Ni,Cu,Co)复合催化剂体系.虽然上述催化剂表现出良好的催化性能,但是贵金属的高成本以及非贵金属复合催化剂的回收难等问题阻碍了其工业应用.因此,利用单一非贵金属催化剂实现高效HMF氢化制DMF具有重要意义.本文采用简单的配位-浸渍-热解法制备了超低Ni负载的非贵金属Ni-C_(3)N_(4)/HC催化剂,Ni负载量低至0.86 wt%.在190℃及1.5 MPa氢气条件下,经过4 h反应,HMF完全转化,DMF产率达到94.2%,DMF生产能力可达12.8 mmolDMF mmolNi-1 h^(-1),在已报道的Ni,Co和Cu基催化剂中处于较高水平.此外,Ni-C_(3)N_(4)/HC催化剂表现出良好的稳定性,在固定床反应器中连续反应120 h未见明显失活.透射电镜结果表明,Ni物种高度分散在活性炭载体上,其平均粒径约为2.6 nm.Ni纳米颗粒被约1.3 nm厚的C_(3)N_(4)壳层紧密包裹,有效稳定了Ni纳米颗粒并抑制了其在反应过程中团聚.X射线能谱分析显示,Ni和N元素呈现均匀分布,表明可能形成了Ni_(3)N物种.X射线光电子能谱和电子能量损失谱结果进一步证实了Ni_(3)N物种的存在.密度泛函理论计算结果表明,Ni_(3)N是氢解反应的本征活性组分,它表现出良好的C-O键活化性能.推测反应主要遵循HMF先转化为MF(5-甲基糠醛),再转化为MFA(5-甲基-2-呋喃甲醇),最终生成DMF的路线进行.鉴于Ni-C_(3)N_(4)/HC催化剂中的Ni_(3)N物种表现出了较好的C-O键活化性能,进一步考察了该催化剂对木质素衍生单体和木质素模型化合物的催化性能.实验结果表明,Ni-C_(3)N_(4)/HC催化剂在C-O键活化断裂加氢反应中表现出广泛的适用性.另外,H_(2)处理的活性炭载体也发挥了重要作用:(1)降低了活性炭的含氧量,提高载体热稳定性,并减弱了载体的酸性,从而有效避免了底物的HMF聚合;(2)有助于Ni物种的均匀分散,减少了NiO物种的生成,增加了Ni_(3)N活性物种的含量,从而提升了催化剂的性能.综上,本文制备了超低Ni负载的非贵金属Ni-C_(3)N_(4)/HC催化剂,其表现出高效的HMF氢解制DMF性能及良好的稳定性.同时,该催化剂对木质素衍生单体和木质素模型化合物也有广泛的适用性.本研究为开发用于生物质加氢和氢解反应的单一非贵金属催化剂提供了新思路.

固体酸SO42-/ZrO2催化果糖制备5-羟甲基糠醛

通过共沉淀-浸渍法制备了SO_(4)^(2-)/ZrO_(2)固体酸催化剂,探究了5种不同焙烧温度(450~650℃)对催化剂活性的影响,并采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等表征手段对催化剂的结构及理化性质进行了分析。研究表明:当焙烧温度高于450℃时,固体酸SO_(4)^(2-)/ZrO_(2)在2θ为30.1°均存在较为明显的四方相晶体结构;随着焙烧温度的升高,催化剂的孔径存在一定程度的增大,但比表面积总体呈降低趋势,酸强度也存在一定程度的降低。在焙烧温度为550℃焙烧3 h时制备的固体酸SZ-550表现出较好的催化性能,用于催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)时,在反应温度为120℃,反应时间为90 min,催化剂用量为30 mg的最佳反应条件下,以二甲基亚砜(DMSO)为反应溶剂,果糖转化率为99.91%,5-HMF的得率为76.01%。XRD分析结果表明:固体酸SO_(4)^(2-)/ZrO_(2)明显的四方相ZrO_(2)结构是其表现出较高催化活性的原因之一。

g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO三元复合材料的制备及催化果糖脱水制5-羟甲基糠醛的研究

采用水热法制备g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO三元复合材料,并将其应用于果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)。利用SEM、TEM、XRD、FTIR、BET等检测手段对g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO三元复合材料的形貌、晶型、基团和比表面积进行了表征,同时研究了反应温度、反应时间、催化剂用量及溶剂种类对果糖转化率、5-HMF的收率和选择性的影响,此外,还考察了催化剂的稳定性。结果表明,g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO三元复合材料具有三维立体网状结构,比表面积达到了31.4782 m^(2)/g,对果糖脱水反应具有良好的催化活性;在果糖质量为5.0 g、二甲基亚砜用量15 mL、g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO用量1.0 g、反应时间3 h、反应温度150℃的条件下,果糖的转化率为98.5%,5-HMF的收率为69.7%,选择性为70.8%;5次循环使用后,5-HMF的收率仍能达到58.8%,表明g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)/RGO三元复合材料的催化稳定性良好。

电催化5-羟甲基糠醛氧化为2,5-呋喃二甲酸的研究进展

在可持续发展导向下,替代能源需求不断增加,生物质资源的有效利用成为研究焦点。5-羟甲基糠醛(HMF)作为一种生物质基平台化合物,具有广阔的应用前景。通过选择性氧化反应,HMF可以转化为高附加值化合物,如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。近年来,电催化氧化作为一种绿色环保的新型手段,在HMF转化为FDCA的研究中取得了显著进展。然而,这一过程涉及竞争反应,如水氧化,对FDCA的产率和法拉第效率产生影响。催化剂对降低反应能垒、提高产物选择性至关重要,但面临稳定性不足、过电位偏高和酸性环境下活性不足等挑战。聚焦于高效催化剂的研究进展,从贵金属催化剂到非贵金属催化剂和非金属催化剂进行深入探讨,旨在为生物质的高效转化提供有益参考。

5-羟甲基糠醛路线合成2,5-呋喃二甲酸的研究进展

2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种能够合成生物基聚酯的重要单体,目前在新型可降解塑料等领域具有广阔的应用前景,如何高效且低廉地制备FDCA已经逐步成为了热点问题。本文系统地综述了近年来通过5-羟甲基糠醛(HMF)路线合成FDCA的主要研究进展,首先介绍了HMF路线和其他路线的联系和区别,解释了HMF路线的优点。其次,详细介绍和分析了由HMF合成FDCA的方法,包括直接氧化法、贵金属催化法、过渡金属催化法、光电催化氧化法、酶催化法和全细胞生物催化法。此外,在介绍上述方法的基础上,说明了这些方法的优缺点,总结了HMF路线制备FDCA目前仍面临的挑战,包括催化剂的选择、改善与开发,反应条件优化和对中间产物的处理,还对未来由HMF路线来制备FDCA的前景进行展望。

热加工食品中晚期糖基化终末产物和5-羟甲基糠醛的形成、检测与控制

食品加工过程中的美拉德反应有助于形成一些热诱导毒性产物,包括晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)和5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)。食源性AGEs在体内的积累和循环与糖尿病并发症的发生有关,同时可能诱发氧化应激、炎症和动脉粥样硬化。5-HMF的代谢物5-磺基氧甲基糠醛(5-sulfooxymethylfurfural,5-SMF)有潜在基因毒性和致癌性。如何控制热加工食品中这些危害物的形成已成为食品行业的关注焦点。本文从美拉德反应和焦糖化反应两条途径探究了AGEs和5-HMF的形成机理,并对近5年二者的检测方法进行了综述,阐述了各类方法的优缺点,以期为建立二者的通用检测方法奠定基础。在此基础上,从削减前体物质的供给、阻断中间体的转化,以及去除已经生成的AGEs和5-HMF这3个方面着手,综述了近年来相应所采用的抑制策略,以期为AGEs和5-HMF在食品中的控制及热加工食品质量与安全管理提供理论依据。

秸秆废物高值转化5-羟甲基糠醛的研究动态分析

废弃秸秆产量大,以秸秆类生物质废物制备5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF),是绿色安全资源化处理处置的途径之一,可有效缓解固废处置、可再生能源发展和环境的压力,为国家战略储备提供新思路。为了解秸秆废物高值转化HMF的研究热点与发展趋势,借助文献计量方式进行归纳总结,利用VOSviewer和CiteSpace软件对关键词进行可视化分析。结果显示:近20 a,国内外研究热点主要聚焦于秸秆废物的预处理、生物质高值转化HMF的核心技术以及制备HMF的潜力提升策略等方面。然而,该领域发展过程中仍存在HMF产率低、预处理成本大、分离提纯困难和产业化困难等问题,还有待进一步的开发和探索。根据对研究主题发展脉络和突现词分析,推测制备液体燃料、精细化学品等可能是秸秆废物高值转化HMF的发展方向,可为秸秆废物高效高值利用提供科学支撑。

NiAl催化剂催化5-羟甲基糠醛加氢制备2,5-二羟甲基四氢呋喃

[目的] 5-羟甲基糠醛(HMF)是最重要的生物质基平台化学品之一,可以通过催化加氢途径制备许多高附加值化学品.本文为设计在更加温和的条件下达到高效催化HMF加氢的非贵金属催化剂进行了一系列研究.[方法]通过尿素共沉淀法制备了一种NiAl催化剂,考察了NiAl催化剂催化HMF加氢制备2,5-二羟甲基四氢呋喃(BHMTHF)的性能,并利用X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H_(2)-TPR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氨气程序升温脱附(NH_(3)-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征方法系统地研究了不同Ni/Al比、不同煅烧温度和还原温度对催化剂理化性质的影响.[结果] Ni和Al的投料原子比为3∶1,在350℃下煅烧、650℃下还原制备的催化剂Ni_(3)Al-350-650在100℃、氢气压力2.5 MPa的条件下反应1 h,HMF的转化率和BHMTHF产率分别高达99.5%和87.5%.过高的Ni/Al比制备的催化剂比表面积较小,导致暴露的活性位点较少从而降低了催化活性,通过煅烧温度可以调节NiAl催化剂的可还原性.[结论]本研究实现了在温和条件下HMF的高效催化加氢转化.该结果可为用于HMF定向转化的非贵金属催化剂的设计提供参考.

Au/Al_(2)O_(3)催化剂催化5-羟甲基糠醛加氢制备2,5-呋喃二甲醇

为探究生物质醛加氢的高效催化剂,以贵金属Au为活性组分,采用沉积-沉淀法制备了负载型Au/Al_(2)O_(3)催化剂,通过X射线粉末衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、静态低温氮吸附容量法和NH_(3)程序升温脱附等表征技术对催化剂形貌进行分析,并将Au/Al_(2)O_(3)催化剂应用于5-羟甲基糠醛(HMF)加氢合成2,5-呋喃二甲醇(BHMF)的反应。考察了催化剂制备所用沉淀剂种类、催化剂的Au负载量以及反应温度、反应压力和反应时间对反应性能的影响,并对催化剂循环稳定性进行分析。结果表明:活性金属Au对该反应有较高的催化活性,且沉淀剂种类对Au颗粒粒径和Au负载量有显著影响。当沉淀剂为NaOH和Na_(2)CO_(3)的混合液(质量比为1∶1)、Au负载量(w)为2.0%时,在反应温度为100℃、H_(2)压力为3.0 MPa、反应时间为4 h的条件下,以0.30 g催化剂催化2.4 mmol HMF加氢制备BHMF,HMF质量转化率达92.1%,BHMF质量选择性达92.0%。

5-羟甲基糠醛电氧化合成2,5-呋喃二甲酸的研究进展

5-羟甲基糠醛(HMF)作为顶级生物质衍生平台分子,可用于生产各种高附加值的化学品。其中,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)作为HMF的氧化产物,被认为是石油基单体对苯二甲酸的有效替代品,在合成可再生聚乙烯呋喃二甲酸酯材料方面发挥了重要作用。近年来,电催化HMF氧化(HMFOR)合成FDCA取得了显著进展。本文在简单介绍电催化HMFOR合成FDCA反应途径的基础上,详细综述了用于电催化HMFOR合成FDCA的各类高效催化剂,包括贵金属催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂,其中非贵金属催化剂主要有镍基、钴基、铜基、锰基、钒基催化剂。此外,还介绍了电催化HMFOR耦合电解水析氢反应(HER)、二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)、氮还原反应(N_(2)RR)等阴极还原反应。最后对未来的研究方向和发展前景作了展望,以期为后续电催化HMFOR的基础研究和技术升级提供借鉴。

KNaPHI光催化氧化5-羟甲基糠醛选择性生成2,5-呋喃二甲酸

以KOH、NaOH和三聚氰胺为原料,使用一种自下而上的方法制备得到光催化剂聚七嗪酰亚胺钾钠混合物(KNaPHI),采用SEM、TEM、FT-IR、XRD、XPS、ICP-OES等方法分析了该催化剂的形貌、结构及元素组成,测试了其氧化还原电势、能带结构及光电性能,并考察了KNaPHI光催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF)制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的性能。研究结果表明:KNaPHI催化剂为片层块状结构,表面光滑平整,主要由C、N、O、K、Na这5种元素组成;具有光吸收性能,这使得催化剂光生载流子能够定向移动,进而提高了其光电效应。与传统的固体氮化碳相比,KNaPHI纳米颗粒可以在水中形成拟均相的溶液,从而实现对底物的高效光催化。在1 mmol(126 mg)HMF、3 mL水溶剂、40 mg KNaPHI催化剂、101.325 kPa O_(2)、50 W紫外灯光照射、室温反应24 h的最佳反应条件下,HMF的转化率达到82%,产物FDCA的选择性为91%;在循环使用5次后,催化剂水溶液仍然保持较好的催化效果,原料转化率和产物选择性仅略微下降。活性物质捕获实验结果发现超氧阴离子自由基(O_(2)^(-)·)和空穴(h^(+))是HMF光催化氧化生成FDCA的主要活性物质。

5-羟甲基糠醛选择性加氢制备2,5-二羟甲基呋喃的研究进展

5-羟甲基糠醛(HMF)的催化转化存在产物多样性、反应过程复杂等难点,研究其一步转化为呋喃基C6二元醇对高效利用生物质基化学品发展绿色可降解聚酯新材料具有重要的科学意义。归纳总结了近些年来国内外由HMF制备2,5-二羟甲基呋喃(BHMF)的催化技术研究的新进展,从活性组分、载体及氢供体等方面出发,讨论了不同类型的金属催化剂应用于多相反应催化HMF氢化转化为BHMF时的关键影响因素。对进一步探索如何经济、绿色、高效、可持续地合成BHMF提供理论参考和技术支持。

无碱条件下Ru/MgO催化5-羟甲基糠醛氧化并制备高纯度2,5-呋喃二甲酸

采用煅烧法制备载体MgO,再采用浸渍-还原法制备Ru/MgO催化剂。对催化剂进行表征分析,结果表明,MgO负载Ru后比表面积与碱量增加,Ru作为催化剂活性中心,将Ru/MgO催化剂用于无碱条件下5-羟甲基糠醛(HMF)的选择性氧化,催化活性显著提高。MgO在负载Ru后,转换频率(TOF)由2.82×10^(-4) h^(-1)提高至5.98×10^(-1) h^(-1)。Ru/MgO催化剂在最佳反应条件下,HMF转化率为100%,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的产率为95.7%,且在循环使用3次后仍能保持较高的活性,活性组分Ru不易浸出,MgO仅有少量溶解。并采用半制备液相色谱实现产物的绿色分离,最终得到纯度大于99%的FDCA粉末,避免了向体系加入浓盐酸分离出FDCA。该制备方法为无碱体系催化HMF高效合成FDCA提供参考。

纤维素直接制备5-羟甲基糠醛的研究进展

5-羟甲基糠醛(HMF)是一种重要的生物基平台化合物,被美国能源部评为12种最具潜力的生物基平台化合物之一。制取HMF最有效的方法是酸催化己糖脱水,己糖在自然界中数量有限,而纤维素在自然界中广泛存在,直接以纤维素为原料制备HMF避免了己糖的分离,具有更高的经济效益。纤维素由于其特殊的化学结构,不溶于水和一般的有机溶剂,反应活性较低,纤维素转化为HMF首先的障碍是纤维素的水解。文章从纤维素结构出发,基于纤维素催化转化制备HMF的反应机理,综述了近年来纤维素制备HMF中纤维素预处理的方法、溶剂体系、催化剂体系的研究进展,并对纤维素制备HMF的发展前景进行了展望,以期为相关研究工作提供一定的参考。

SO4^2--TiO2／MOR新型固体酸催化果糖制备5-羟甲基糠醛

采用溶胶-凝胶-水热工艺制备了一系列SO42--TiO2/MOR(STM)固体酸催化剂。相对SO42--TiO2催化剂,制备的STM催化剂有高的硫负载量、大的比表面积和好的分散性。吡啶分子探针-傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱及Ti2p、S2p和O1s分峰拟合图谱分析表明,硫负载量和结合态、活性组分和丝光沸石载体的相互作用影响到催化剂的B酸中心和L酸中心分布进而影响催化活性。STM0.2催化剂促进果糖转化反应,5-羟甲基糠醛的产率和果糖的转化率分别达到71.6%和91.9%。催化剂回收实验结果预示二氧化钛的L酸中心有助于稳定果糖的转化率,丝光沸石载体能够提高催化剂的耐热性和目标产物的选择性。

离子液体条件下固体超强酸SO_4^(2-)/TiO_2-WO_3催化果糖制备5-羟甲基糠醛

在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴盐与固体超强酸SO42-/TiO2-WO3协调作用下,催化果糖制备标题化合物,考察了固体超强酸催化剂制备条件对标题化合物收率的影响及标题化合物的最佳合成条件。实验表明:SO42-/TiO2-WO3催化果糖制备5-HMF的最佳合成条件:催化剂中WO3质量分数为15%,焙烧温度550℃,催化剂用量为总质量的2%,反应温度为110℃,反应时间为10 h,5-HMF的收率52%。