工业沸石具有良好的热稳定性、形状稳定性、固体酸性、催化活性，且成本低，是较好的催化剂材料，在替代传统液体酸水解木糖制备糠醛方面具有产业化前景，但传统的沸石催化剂还存在分散性差、转化效率低、副产物高等缺点，所以发展和改善沸石性能以满足工业沸石催化剂的效率和糠醛生产实际应用具有重要意义。
近期，大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队采用协同脱原子和原子注入处理对H-β分子筛的酸度、孔隙结构和电子性能进行调节，开发了一种高效生产糠醛的工业分子筛催化剂（图1）。该工作所提出的沸石处理策略可以保持沸石结构的完整性、均匀稳定的分散性和良好的催化性能。研究以“Atomic scale niobium implantation in dealuminated industrial H-β zeolite catalyst for enhanced furfural production”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。文章第一作者是大连工业大学硕士生黄玉辉，通讯作者是陶叶晗博士和王海松教授。
图1： 在H-β沸石上进行脱铝和原子注入构建的deAlβ/Nb(20%)沸石分子筛催化木糖生成糠醛
脱铝有效地降低了铝相关的本征Lewis和BrØsted酸位，从而减少了不良副反应的发生。同时，去除的骨架铝可以为后续要引入高价态铌原子创造移植空位。铌原子提供了新型的催化活性位点，同时铌原子的注入会使沸石骨架变形，从而增加平均孔径，并作为更多的缺电子中心增强与反应物分子的相互作用（图2）。
在单相水/γ-戊内酯反应溶剂体系中，最佳催化剂在130 ℃的中性条件下，在3小时内可高效转化木聚糖或木糖，转化率为100%。与未经处理的H-β沸石催化剂的糠醛收率（12.7%）相比，deAlβ/Nb(20%)催化剂的糠醛收率提高了54%。催化剂可以通过简单的清洗和热再生回收然后再利用。图3： (a)（脱原子处理的）工业沸石的催化性能；(b)原子种植处理后的H-β沸石的催化性能；(c)铌原子种植处理后的H-β沸石的催化性能；(d)经脱原子和原子种植处理后的H-β沸石的催化性能。反应条件：130 ℃，3 h, 400 mg木糖，200 mg催化剂，4 mL溶剂(Vwater : VGVL=1:3)。
论文研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金及辽宁省百千万人才工程项目的资助与支持。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/TA/D4TA03915G