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CoZn-ZIFs衍生Co@NCs催化氧化降解木质素—非均相催化4

2021-09-02  合成化学与机理   |  转藏
   

  目前生物质中,木质素的质量占比为15~30%,能量占比约为40%。虽然木质素具有储量丰富、可再生、价格低廉等优点,但受其结构复杂、物理化学性质不均一等因素的影响,当前木质素通常是作为低值工业燃料使用,造成了较大的资源浪。从结构上看,木质素是由三种酚类片段通过C-CC-O连接构成的三维芳香族高分子聚合物,有望成为芳香化合物的重要来源而部分替代化石资源。因此,将木质素高效转化为芳香化学品以实现其高值化利用是我国可再生能源发展的战略需求,也是当前化学、能源催化领域关注的科学焦点之一。

从木质素分子结构上看,选择性断裂β-O-4键(约占所有C-O的60%)是实现木质素高值化利用的关键步骤。近年来各种化学手段如氢解、氧化、热解、水解、光化学及电化学裂解等被相继报道用于裂解木质素中β-O-4键。近年来,氧化裂解已经成为木质素降解的重要手段之一。最初,研究者利用一些均相催化剂如仿生催化剂、金属盐、金属配合物等,对木质素或者其模型化合物进行氧化降解。为了解决催化剂回收的问题,研究者陆续开发了多种贵金属催化剂。鉴于贵金属催化剂的价格较高,因此开发非贵金属催化剂用于该反应无疑更符合绿色化学要求。

另一方面,ZIF衍生N掺杂钴碳材料(Co@NCs)具有优异的氧化和气体吸附性能,因此我们设想可以以ZIF衍生N掺杂钴碳材料(Co@NCs)作为催化剂,以氧气作为氧化剂,实现木质素的氧化裂解。但是最常见的Co-ZIFZIF-67)在高温碳化过程中出现明显的钴元素团聚的现象(奥氏熟化),这会大大降低催化剂的性能。其中一种常见的方法是在ZIF制备的过程中同时加入ZnCo盐,制备CoZn双金属ZIF。因为Zn的沸点较低,其可以作为自牺牲模板剂,在900度高温碳化过程中抑制Co元素团聚,同时会挥发形成微孔增加催化剂比表面积[1]

综合以上结果,本课题组以CoZn-ZIF衍生Co@NCs材料为催化剂,以氧气为氧化剂,实现了木素质及其模型化合物β-O-4, a-O-4β-1键的氧化裂解。该工作已经发表在ChemCatChem上,第一作者南京理工大学博士研究生孙康康,通讯作者陆国平,蔡春。Sun, K.; Chen, S.; Zhang, J.; Lu, G.-P.; Cai, C.,Cobalt Nanoparticles Embedded in N-Doped Porous Carbon Derived from BimetallicZeolitic Imidazolate Frameworks for One-Pot Selective OxidativeDepolymerization of Lignin. ChemCatChem 2019, 11 (4),1264-1271.

参考文献

[1] Chen, Y. Z.;Wang, C.; Wu, Z. Y.; Xiong, Y.; Xu, Q.; Yu, S. H.; Jiang, H. L., FromBimetallic Metal-Organic Framework to Porous Carbon: High Surface Area andMulticomponent Active Dopants for Excellent Electrocatalysis. Advanced Materials 2015, 27 (34), 5010-5016.

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