吉林大学于吉红院士团队：碱性二维分子筛高效催化酯交换反应制备可持续性生物柴油

研究背景

生物柴油作为目前化石燃油的有效替代品，其组分多为具有单一烷基支链的脂肪酸酯的混合物，这种脂肪酸酯通常由可再生的植物油或动物油制备而来。工业上常采用的生物柴油制备方法多以均相的碱性物质作为催化剂，但是反应器长期在高碱性的条件下工作会受到腐蚀，同时会有乳化或皂化的副反应出现。为了解决均相催化剂带来的上述问题，非均相催化剂开始走入研究者的视野，其中沸石分子筛作为一种经典的微孔晶体材料，因其具有较高的比表面积、可调节的酸\碱活性位点、较好的稳定性等优点在生物质衍生平台化合物制备燃油、化工中间体和材料等领域中发挥着至关重要的作用。在早期的研究中，碱性分子筛催化剂在酯交换反应制备生物柴油领域中已展现出了较大的潜力，但有限的碱性位点和较大的传质阻碍限制了传统的三维分子筛在该反应中的催化活性，从而限制了分子筛材料在该领域中的广泛应用。

图文解读

近日，吉林大学于吉红院士团队采用固相离子交换方式制备了碱性二维分子筛Na/ITQ-2，与传统的三维碱性分子筛相比，该催化剂在三油酸甘油酯的酯交换反应中展现出了较高的催化活性。

图1. 碱性分子筛催化三油酸甘油酯与甲醇的酯交换反应制备生物柴油。

图2. 二维碱性分子筛Na/ITQ-2（a和b）和Na/ITQ-6（c和d）的SEM、TEM照片。

图3. 所制备样品的NH₃-TPD（a）和CO₂-TPD（b）。其中图（a）三条蓝色虚线所示结果来自同一H/ITQ-2样品。

相较于早期研究中所报道的碱性分子筛催化剂而言，本工作所制备的二维碱性分子筛具有更大的外比表面积、独特的等级孔结构和稳定且高浓度的强碱性位点，这使得大分子的传质限制被有效减弱，同时也为生物质大分子提供了易接触且稳定的反应活性位点。

图4. 所制备样品在三油酸甘油酯的酯交换反应中的催化活性对比（a）和生物柴油的产率与反应时间的关系（b）。

为了进一步探究碱性位负载方式的影响，研究人员使用液相离子交换法（liquid-phase ion-exchange，简称LIE）制备了Na/ITQ-2-LIE催化剂。通过催化实验的结果对比可以发现：一方面，二维分子筛比三维分子筛展现出了更加优异的催化活性；另一方面，固相离子交换法制备的二维Na/ITQ-2的酯交换催化性能要明显优于液相离子交换法制备的Na/ITQ-2-LIE。NH3-TPD和CO2-TPD的结果也证实了，在该体系中固相离子交换所负载的碱性位更强、更稳定。

二维分子筛催化剂因其更加开放的骨架结构和更多、更易接触的活性位点，可有效减少大分子底物和产物的传质限制，为设计与开发性能优异的分子筛催化剂提供了新的解决思路。

文章信息

相关工作以“Efficient transesterification over two-dimensional zeolites for sustainable biodiesel production”为题发表在Green Energy & Environment ，文章第一作者为吉林大学博士研究生庞皓，通讯作者为吉林大学于吉红院士和杨国炬博士。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.10.024

通讯作者简介

于吉红

于吉红，教授，吉林大学，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、欧洲科学院外籍院士、中国化学会副理事长、中国化学会分子筛专业委员会主任；英国皇家化学学会期刊Chemical Science副主编，《高等学校化学学报》、Chemical Research in Chinese Universities两刊主编。于吉红教授主要从事分子筛多孔材料的设计合成及其在催化、分离及主客体组装的应用。

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