催化学报

催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (9): 1543-1551.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60936-6

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载体表面酸碱性质对无碱水溶液中Au催化的甘油氧化反应产物选择性的调控作用

苑字飞, 高占昆, 徐柏庆   

  1. 清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室, 北京100084
  • 收稿日期:2015-04-22 修回日期:2015-06-19 出版日期:2015-08-28 发布日期:2015-09-26
  • 通讯作者: 徐柏庆, 电话: (010)62792122; 传真: (010)62771149; 电子信箱: bqxu@mail.tsinghua.edu.cn
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21221062); 国家重点基础研究发展计划(973计划, 2013CB933103).

Acid-base property of the supporting material controls the selectivity of Au catalyst for glycerol oxidation in base-free water

Zifei Yuan, Zhankun Gao, Bo-Qing Xu   

  1. Innovative Catalysis Program, Key Laboratory of Organic Optoelectronics & Molecular Engineering, Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • Received:2015-04-22 Revised:2015-06-19 Online:2015-08-28 Published:2015-09-26
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21221062) and the National Basic Research Program of China (973 Program, 2013CB933103).

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摘要：

甘油(GL)是一种重要的生物平台分子, 通过催化选择氧化反应将其转化为具有高附加值化学品是可持续发展化学化工的重要课题之一. 以Au为催化剂的GL水相选择氧化反应可以生成甘油酸(GLA)、二羟基丙酮(DHA)、羟基丙二酸(TTA)、羟基乙酸(GCA)和乳酸(LA)等多种产物. 通常, 该反应需要碱(NaOH)存在时才能进行, 产物往往以GLA为主(选择性40%-70%), 副产物主要有GCA, TTA和草酸(OA). 一般认为, 可溶性碱(OH-)是通过夺取GL分子中羟基上的质子而诱发反应的. 尽管在Au催化的反应体系中从未检测到有甘油醛(GLD)生成, GLD和/或DHA被认为是该反应的中间物种. 本课题组前期工作表明, 氧化物(TiO2, Al2O3, ZrO2, CuO等)负载的纳米Au催化剂能够在无碱(无外加OH-)水溶液中选择性催化GL氧化生成DHA(而不是GLA). 因此, OH-的存在与否很可能会改变水溶液中Au催化剂上GL氧化反应的途径. 本文试图回答当GL的水溶液中不存在NaOH时, Au催化剂载体的表面酸碱性质是否也会对GL氧化反应的选择性产生调控作用.
我们选用Mg/Al比(x)不同的MgO-Al2O3样品为Au催化剂的载体, 以尿素为沉淀剂, 采用沉积沉淀法制备了相应的Au/MgO-Al2O3(x)催化剂样品. 采用X射线衍射、电感耦合等离子体-原子发射光谱仪、透射电镜以及N2吸附-脱附等温线等对MgO-Al2O3(x)和/或Au/MgO-Al2O3样品的物相、元素组成、Au颗粒大小以及比表面积等进行了表征分析; 采用NH3和CO2程序升温脱附(TPD)分别对MgO-Al2O3(x)载体表面的酸、碱性进行了测定. NH3-TPD和CO2-TPD结果表明, 随着Mg/Al比x从0增加至4.8, MgO-Al2O3(x)的表面酸量从0.94降到0.20 μmol/m2, 而其表面碱量却从0.05剧增至0.80 μmol/m2. 因此, 载体中MgO含量越多或Mg/Al比越大, 其酸性越弱而碱性越强. 在无碱水溶液中的催化反应结果表明, Au/MgO-Al2O3(x)上GL氧化反应的主要产物为DHA, GLA以及GCA等. 随着x值(催化剂表面碱性)不断增大, 产物DHA的选择性从约80%下降到10%左右, 而GLA的选择性却从约4%增加至约50%. 当载体为酸性最强的Al2O3 (x=0)时, 产物DHA的选择性为最高(80%). 由此可见, 载体表面的酸碱性质决定了无碱水溶液中Au催化剂上的GL氧化产物的分布.
此外, 当保持Au粒子的尺寸基本不变(如3.1或6.6 nm左右), 而改变载体的酸碱性质时, Au/MgO-Al2O3催化GL氧化反应的活性(TOF)可相差8-9倍. 本文还通过改变Au/MgO-Al2O3样品焙烧温度, 制备了表面酸碱性质相同而颗粒大小不同的三个Au/MgO-Al2O3(0.2)催化剂, 考察了Au粒径对GL氧化反应选择性的影响. 在这三个催化剂上, Au颗粒的平均尺寸分别为2.8, 3.2和6.6 nm, GL氧化反应的产物选择性近乎相同(DHA和GLA的选择性分别为65%和15%左右), 但平均尺寸为6.6 nm Au粒子的催化活性(TOF)是3.2 nm Au粒子的1.6倍, 2.8 nm Au粒子的2.7倍.
因此, 本文建立了载体表面酸碱性质与无碱水溶液中GL氧化产物选择性之间的关系, 通过改变载体表面酸碱性质实现了对无碱水溶液中Au催化剂上GL氧化反应选择性的调控. 尽管载体酸碱性质和Au粒子尺寸都对Au/MgO-Al2O3催化剂的本征活性有重要影响, 但载体酸碱性质的影响更显著.

关键词: 甘油增值, 选择氧化, 金催化剂, 酸碱性, 选择性调控, 载体效应

Abstract:

Glycerol (GL) valorization by catalytic aerobic oxidation in water over Au-based catalysts usually produces a number of products. A soluble base (usually NaOH) is often added to the reaction solution to promote GL activation and affect the product distribution. We report in this study the support effect on the catalysis of Au nanoparticles (NPs) for GL oxidation in base-free water on a series of supporting MgO-Al2O3 materials. The acid-base property on the surfaces of these MgO-Al2O3 supports were systematically varied by tuning the molar Mg/Al ratio (x) before they were loaded with the catalytic Au NPs. Au NPs on the most acidic and least basic MgO-Al2O3 exhibited the highest activity for GL activation and the highest selectivity for dihydroxyacetone (DHA) production. Increasing the surface basicity or lowering the acidity of the MgO-Al2O3 support results in continuously improved selectivity for glyceric acid (GLA) but lowered the selectivity for DHA. These correlations disclose for the first time that the support acid-base property inversely affects the formation of DHA and GLA, and demonstrate that the support acidity/basicity is a key to the selectivity control of their carrying Au NPs for GL oxidation.

Key words: Glycerol valorization, Selective oxidation, Gold catalyst, Acid-base property, Selectivity control, Catalyst support effect