催化学报 ›› 2026, Vol. 83: 411-418.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64959-5

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镍铁双金属催化剂中铁对糠醛选择性加氢的促进作用

刘鑫a, 杨烨舟b, 杨敬茹b, 王茂弟b,*(), 杨启华b,*()   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 能源催化转化全国重点实验室, 辽宁大连 116023
    b浙江师范大学先进催化材料教育部重点实验室, 浙江省先进催化与吸附材料重点实验室, 浙江金华 321004
  • 收稿日期:2025-08-12 接受日期:2025-10-30 出版日期:2026-04-18 发布日期:2026-03-04
  • 通讯作者: * 电子信箱: qhyang@zjnu.cn (杨启华), maodiwang@zjnu.edu.cn (王茂弟).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22272164);国家自然科学基金(22332002);浙江省创新创业领军人才引进项目(2022R01007)

Promotion effect of Fe in the selective hydrogenation of furfural with bimetallic NiFe catalysts

Xin Liua, Yezhou Yangb, Jingru Yangb, Maodi Wangb,*(), Qihua Yangb,*()   

  1. aState Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bKey Laboratory of the Ministry of Education for Advanced Catalysis Materials, Zhejiang Key Laboratory of Advanced Catalysis and Adsorption Materials, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang, China
  • Received:2025-08-12 Accepted:2025-10-30 Online:2026-04-18 Published:2026-03-04
  • Contact: * E-mail: qhyang@zjnu.cn (Q. Yang),maodiwang@zjnu.edu.cn (M. Wang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22272164);National Natural Science Foundation of China(22332002);Leading Innovative and Entrepreneur Team Introduction Program of Zhejiang(2022R01007)

摘要:

糠醛(FAL)选择性加氢制糠醇(FOL)是生物质资源利用的重要反应之一, 其关键在于实现高活性的同时获得高选择性. 但是FAL作为一种高度不饱和化合物, 其具有多种潜在的加氢反应途径, 因此实现羰基的选择性加氢是一项具有挑战性的任务. 迄今为止, 用于该反应的贵金属催化剂虽活性较高, 但却存在成本昂贵且选择性有限的问题; 而非贵金属如Ni催化剂成本低廉, 但其表面连续的Ni位点易导致FOL深度加氢为四氢糠醇, 因此其选择性通常也较低. 受自然界中的酶通过多位点协同实现精准催化的启发, 合理设计具有功能互补活性位点的催化剂, 以调控反应物吸附、活化路径并抑制副反应, 是实现高效选择性转化的有效策略. 但如何在非贵金属体系中有效整合并协调不同活性位点的功能, 以同时提升活性和选择性, 并明确其反应机理, 仍面临一些挑战.
本文报道了一种通过Fe掺杂对Ni/TiO2催化剂进行改性的策略, 成功构建了NiFe双金属催化剂, 其中Fe和Ni位点功能互补, 协同作用于FAL选择性加氢过程. 在FAL加氢反应中, Ni/Fe-TiO2催化剂表现出优异的催化性能: 当Fe含量≥4.9 wt%时, 在接近100%转化率下, 目标产物FOL选择性> 90%, 显著优于未改性的Ni/TiO2催化剂(相同条件下选择性仅38%). 同时, 优化后的Ni/Fe6.9-TiO2催化剂的转化频率达到13.2 h‒1, 高于Ni/TiO2 (11.2 h‒1), 实现了适量Fe掺杂的Ni催化剂在该反应中活性和选择性的同时提升. 为进一步探究Fe的促进机制, 进行了一系列机理研究. 结果表明, NiFe双金属协同效应是性能突破的核心: Fe位点对FAL分子中的羰基(C=O)基团表现出更强的亲和力, 主要负责吸附和活化底物; 而相邻的Ni位点则高效解离H2分子产生活性氢原子, 并通过氢溢流作用传递至吸附有FAL的Fe位点完成对羰基的选择性加氢. 此外, Fe的引入形成NiFe合金, 稀释了连续的Ni位点, 有效削弱了产物FOL的吸附强度, 从而抑制了呋喃环的深度加氢. 该Ni/Fe-TiO2催化剂展现出良好的循环稳定性, 连续使用5次后活性和选择性(> 90%)均未发生明显下降.
综上, 本文成功构建了一种NiFe双金属协同催化剂, 将其用于糠醛选择性加氢反应中, 表现出优异的催化性能. 催化性能的显著增强主要来源于Fe位点对羰基底物的特异性吸附活化与Ni位点对H2的高效解离活化之间的协同作用, 以及Fe对连续Ni位点的稀释效应. 本文为设计高效、高选择性的非贵金属加氢催化剂提供了一种有效策略.

关键词: 双金属催化剂, 协同效应, 选择性加氢, 羰基

Abstract:

The selective hydrogenation of furfural (FAL) to furfuryl alcohol (FOL) over Ni catalysts offers a sustainable route for biomass valorization. However, the conventional Ni catalysts suffer from poor selectivity in FAL hydrogenation. Herein, we report that the moderate Fe doping in Ni/TiO2 significantly enhances selectivity without compromising catalytic activity for the selective hydrogenation of FAL to FOL. Notably, Ni/Fe-TiO2 catalyst with Fe content ≥ 4.9 wt% maintained > 90% selectivity toward FOL at nearly 100% conversion, whereas Ni/TiO2 achieved only 38% under the identical condition. Combined experimental and theoretical studies revealed that the enhanced catalytic performance of Ni/Fe-TiO2 originates from the dilution of contiguous Ni sites by Fe, which suppresses the further hydrogenation of FOL. Moreover, Fe sites exhibited a stronger affinity for carbonyl groups compared to Ni(0), indicating complementary role where Ni(0) primarily facilitates H2 dissociation, while Fe sites play a critical role in carbonyl activation. These findings underscore the superior synergistic effect of bimetallic systems in promoting selective functional group transformation.

Key words: Bimetallic catalysts, Synergistic effect, Selective hydrogenation, Carbonyl groups