Pb-Pt/AC催化甘油一步法制备丙酮酸

doi:10.1016/S1872-2067(17)62835-3

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (5): 928-938.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62835-3

Pb-Pt/AC催化甘油一步法制备丙酮酸

张晨^a,c, 王涛^a, 丁云杰^a,b

a. 中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连 116023;
b. 中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023;
c. 中国科学院大学, 北京 100049

收稿日期:2017-03-09 修回日期:2017-04-10 出版日期:2017-05-18 发布日期:2017-05-10
通讯作者: Yunjie Ding, Tao Wang
基金资助:
国家自然科学基金（21176236）.

One-step synthesis of pyruvic acid from glycerol oxidation over Pb promoted Pt/activated carbon catalysts

Chen Zhang^a,c, Tao Wang^a, Yunjie Ding^a,b

a. Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b. State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
c. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2017-03-09 Revised:2017-04-10 Online:2017-05-18 Published:2017-05-10
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21176236).

摘要/Abstract

摘要：

生物质能具有绿色环保、可再生、来源广泛和安全性高等优点，成为当前的研究热点.作为生物柴油的主要副产物，甘油是一种重要的生物质平台化合物.甘油的高效利用，不仅能够获得重要的精细化学品及聚合物，也可以延长生物柴油的产业链，降低其生产成本，增加其市场竞争力.
丙酮酸是一种弱有机酸，为生物体内葡萄糖分解代谢的中间产物，在生物能量代谢和物质代谢过程中起着重要的枢纽作用.同时，由于它同时含有羧基和酮羰基，具有很强的反应性，可参与多种化学反应，在化学工业中有广泛应用.目前，工业上主要采用酒石酸脱水脱羧法生产丙酮酸，丙酮酸收率可达50-55%，但生产过程需要消耗大量的KHSO₄粉末，生产成本高，且高耗能高污染，不符合可持续发展的要求.因此，利用可再生资源甘油在温和条件下生产丙酮酸显现出良好的应用前景.
目前，由甘油一步法获得丙酮酸仅可通过发酵法实现，但是其规模化生产存在效率低、废弃物污染等问题.因此，研究化学方法由甘油一步制备丙酮酸可行也十分必要.本课题组以Pt/AC或Cu-Pt/AC为催化剂进行甘油氧化制备乳酸的研究，所得产物中几乎未检出丙酮酸；当以Pb-Pt/C为催化剂进行乳酸脱氢氧化制备丙酮酸，可获得较高选择性的丙酮酸.因此，本文通过向Pt/AC催化剂中引入Pb助剂，以期调变甘油氧化的产物分布，从而获得相对高的丙酮酸选择性.
通过浸渍-沉积沉淀法（Im-DP）制备了一系列不同Pb载量（1-7.0 wt%）的xPb-5Pt/AC-Im-DP催化剂，并采用不同方法制备了一系列5Pb-5Pt/AC催化剂，用于在温和条件下甘油选择性氧化制备丙酮酸反应中.结果表明，Pb载量和催化剂制备方法都对其催化活性有显著影响.当xPb-5Pt/AC-Im-DP催化剂中Pb载量为1%时，甘油转化率和丙酮酸选择性均较单金属5Pt/AC催化剂高，但当Pb载量继续升高至3%及以上时，甘油转化率明显下降.我们推测这与Pb₃（CO₃）₂（OH）₂物种的形成有关.采用该方法制备催化剂时， Pb载量宜为5.0 wt%.
保持Pt和Pb载量均为5.0 wt%，采用共沉积沉淀（Co-DP）、共浸渍（Co-Im）、以及对催化剂进行500 ℃氩气焙烧等，制备了具有Pb₃（CO₃）₂（OH）₂物种、铂铅合金物种（PtPb和Pt_xPb）和两物种均没有的5Pb-5Pt/AC催化剂.通过评价它们的催化性能，进一步探究了Pb₃（CO₃）₂（OH）₂物种、铂铅合金物种、表面金属价态与催化剂活性的关系.实验表明，Pb₃（CO₃）₂（OH）₂和表面Pb⁰物种不利于甘油的转化，铂铅合金对甘油转化有一定的促进作用，对丙酮酸生成显现出明显促进作用.通过对Co-DP、Im-DP催化剂进行500 ℃氩气焙烧，能够除去Pb₃（CO₃）₂（OH）₂物种，同时形成铂铅合金.
综上，本文在温和条件下，采用Pb-Pt/AC催化剂进行甘油选择性氧化制备丙酮酸反应.采用优化的方法制备的5Pb-5Pt/AC催化剂在90 ℃条件下反应10 h，丙酮酸收率可达18.4%，这是目前甘油一步法氧化制备丙酮酸的最高值.进一步优化反应条件、催化剂组成与结构，探索反应机理仍十分必要.

关键词: 甘油氧化, 丙酮酸, 铅助剂, 铂, 活性炭

Abstract:

One-step production of pyruvic acid through selective oxidation of glycerol was investigated using lead promoted platinum/activated carbon (Pb-Pt/AC) catalysts under mild conditions. The results of N₂ physisorption, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and high-resolution transmission electron microscopy revealed that the alloy phases of PtPb and Pt_xPb were favorable for pyruvic acid production from glycerol oxidation, whereas the Pb₃(CO₃)₂(OH)₂ and surface Pb⁰ species inhibited the glycerol conversion. The loading of Pb and the catalyst preparation method (including impregnation and deposition precipitation) affected the formation of different metal species. Pyruvic acid was obtained at a yield of 18.4% on a 5.0 wt% Pb-5.0 wt% Pt/AC catalyst prepared by co-deposition precipitation method and 500℃ argon treatment.

Key words: Glycerol oxidation, Pyruvic acid, Lead promoter, Platinum, Activated carbon

张晨, 王涛, 丁云杰. Pb-Pt/AC催化甘油一步法制备丙酮酸[J]. 催化学报, 2017, 38(5): 928-938.

Chen Zhang, Tao Wang, Yunjie Ding. One-step synthesis of pyruvic acid from glycerol oxidation over Pb promoted Pt/activated carbon catalysts[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(5): 928-938.

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参考文献

[1] S. Bagheri, N. M. Julkapli, W. A. Yehye. Renewable Sustainable Energy Rev., 2015, 41, 113–127.
[2] M. Anitha, S. K. Kamarudin, N. Kofli. Chem. Eng. J., 2016, 295, 119–130.
[3] C. H. Zhou, J. N. Beltramini, Y. X. Fan, G. Q. Lu. Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 527–549.
[4] B. Katryniok, H. Kimura, E. Skrzyńska, J. S. Girardon, P. Fongarland, M. Capron, R. Ducoulombier, N. Mimura, S. Paul, F. Dumeignil. Green Chem., 2011, 13, 1960–1979.
[5] A. Villa, N. Dimitratos, C. E. Chan-Thaw, C. Hammond, L. Prati, G. J. Hutchings. Acc. Chem. Res., 2015, 48, 1403–1412.
[6] L. F. Gong, Y. Lu, Y. J. Ding, R. H. Lin, J. W. Li, W. D. Dong, T. Wang, W. M. Chen. Appl. Catal. A, 2010, 390, 119–126.
[7] W. T. Luo, Y. Lyu, L. F. Gong, H. Du, M. Jiang, Y. J. Ding. Chin. J. Catal., 2016, 37, 2009–2017.
[8] G. S. Foo, D. Wei, D. S. Sholl, C. Sievers. ACS Catal., 2014, 4, 3180–3192.
[9] C. J. Jia, Y. Liu, W. Schmidt, A. H. Lu, F. Schüth. J. Catal., 2010, 269, 71–79.
[10] M. Dusselier, P. Van Wouwe, A. Dewaele, E. Makshina, B. F. Sels. Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1415–1442.
[11] A. Corma, S. Iborra, A. Velty. Chem. Rev., 2007, 107, 2411–2502.
[12] P. Xu, J. H. Qiu, C. Gao, C. Q. Ma. J. Biosci. Bioeng., 2008, 105, 169–175.
[13] T. Yasukawa, W. Ninomiya, K. Ooyachi, N. Aoki, K. Mae. Ind. Eng. Chem. Res., 2011, 50, 3858–3863.
[14] H. H. C. M. Pinxt, B. F. M. Kuster, G. B. Marin. Appl. Catal. A., 2000, 191, 45–54.
[15] T. Tsujino, S. Ohigashi, S. Sugiyama, K. Kawashiro, H. Hayashi. J. Mol. Catal., 1992, 71, 25–35.
[16] C. Zhang, T. Wang, Y. J. Ding. Appl. Catal. A, 2017, 533, 59–65.
[17] T. V. Finogenova, I. G. Morgunov, S. V. Kamzolova, O. G. Chernyavskaya. Appl. Biochem. Microbiol., 2005, 41, 418–425.
[18] S. Sugiyama, T. Kikumoto, H. Tanaka, K. Nakagawa, K. I. Sotowa, K. Maehara, Y. Himeno, W. Ninomiya. Catal. Lett., 2009, 131, 129–134.
[19] M. Ai. Appl. Catal. A, 2002, 234, 235–243.
[20] L. S. Sharninghausen, J. Campos, M. G. Manas, R. H. Crabtree. Nat. Commun., 2014, 5, 5084.
[21] Y. H. Shen, S. H. Zhang, H. J. Li, Y. Ren, H. C. Liu. Chem. Eur. J., 2010, 16, 7368–7371.
[22] R. K. P. Purushothaman, J. van Haveren, D. S. van Es, I. Melián Cabrera, J. D. Meeldijk, H. J. Heeres. Appl. Catal. B, 2014, 147, 92–100.
[23] D. Roy, B. Subramaniam, R. V. Chaudhari. ACS Catal., 2011, 1, 548–551.
[24] H. Hayashi, S. Sugiyama, Y. Katayama, K. Kawashiro, N. Shigemoto. J. Mol. Catal., 1994, 91, 129–137.
[25] C. Zhang, T. Wang, X. Liu, Y. J. Ding. Chin. J. Catal., 2016, 37, 502–509.
[26] C. Zhang, T. Wang, X. Liu, Y. J. Ding. J. Mol. Catal. A, 2016, 424, 91–97.
[27] S. Y. Lee, S. J. Park. Carbon, 2014, 68, 112–117.
[28] S. Sarig, F. Kahana. Thermochim. Acta, 1976, 14, 263–268.
[29] W. E. Morgan, J. R. Van Wazer. J. Phys. Chem., 1973, 77, 964–969.
[30] V. I. Nefedov, Y. V. Salyn, P. M. Solozhenkin, G. Y. Pulatov. Surf. Interface Anal., 1980, 2, 170–172.
[31] J. A. Taylor, D. L. Perry. J. Vac. Sci. Technol. A, 1984, 2, 771–774.
[32] E. G. Rodrigues, S. A. C. Carabineiro, J. J. Delgado, X. Chen, M. F. R. Pereira, J. J. M. Órfão. J. Catal., 2012, 285, 83–91.
[33] S. E. Davis, M. S. Ide, R. J. Davis. Green Chem., 2013, 15, 17–45.

Pb-Pt/AC催化甘油一步法制备丙酮酸

One-step synthesis of pyruvic acid from glycerol oxidation over Pb promoted Pt/activated carbon catalysts

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[1]	张锋伟, 郭河芳, 刘萌萌, 赵阳, 洪峰, 李静静, 董正平, 乔波涛. 表面应力介导的碳基Pt纳米催化剂用于硝基芳烃的高选择性加氢[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 195-204.
[2]	刘轩, 梁嘉顺, 李箐. 燃料电池金属间Pt-M合金氧还原催化剂的设计原理及合成方法[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 17-26.
[3]	李昱杰, 刘媛媛, 王泽岩, 王朋, 郑昭科, 程合锋, 戴瑛, 黄柏标. 沉积于含硼金属有机框架的Pt(II)通过抑制分解来增强光催化H₂O₂的产生[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 132-140.
[4]	师凯, 司娣, 滕雪, 陈立松, 施剑林. 用于高效电催化甘油氧化的CuCoN_0.6/CP催化剂[J]. 催化学报, 2023, 53(10): 143-152.
[5]	邱春禹, 万里洋, 王宇成, Muhammad Rauf, 洪宇浩, 袁家寅, 周志有, 孙世刚. 工况表征方法揭示燃料电池催化层中过氧化氢浓度[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1918-1926.
[6]	牛慧婷, 夏琛沣, 黄磊, Shahid Zaman, Thandavarayan Maiyalagan, 郭巍, 游波, 夏宝玉. 一维铂基纳米结构氧还原电催化剂的设计与合成[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1459-1472.
[7]	姚青, 乐家波, 杨是赜, 程俊, 邵琪, 黄小青. 痕量Pt显著提升RuO₂的酸性水分解性能[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1493-1501.
[8]	张利利, 蒋苏毓, 马炜, 周震. 铂基催化剂的氧还原反应路径调控[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1433-1443.
[9]	熊伟, 周敏, 李昊, 丁朝, 张达, 吕耀康. 介孔氧化镍纳米片负载Pt纳米粒子电催化合成氨[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1371-1378.
[10]	程蕾, 张鹏, 文岐业, 范佳杰, 向全军. 铜铂双单原子负载晶化氮化碳及其增强光催化CO₂还原性能[J]. 催化学报, 2022, 43(2): 451-460.
[11]	Francisco J. Sarabia, Víctor Climent, Juan M. Feliu. 碱性介质中界面电场对铁原子吸附修饰Pt(111)表面HER性能的影响[J]. 催化学报, 2022, 43(11): 2826-2836.
[12]	彭佳恒, 陶鹏, 宋成轶, 尚文, 邓涛, 邬剑波. 铂基氧还原电催化剂的结构演变[J]. 催化学报, 2022, 43(1): 47-58.
[13]	张伟, 夏广杰, 王阳刚. 铂铜合金催化甲醇电氧化的机理研究[J]. 催化学报, 2022, 43(1): 167-176.
[14]	阮明波, 刘京, 宋平, 徐维林. 基于数据挖掘对商业氧还原电催化剂Pt/C测试的综合分析[J]. 催化学报, 2022, 43(1): 116-121.
[15]	唐士朋, 夏阳, 范佳杰, 程蓓, 余家国, Wingkei Ho. 碳铂双助催化剂增强CdS空心球光催化产氢性能[J]. 催化学报, 2021, 42(5): 743-752.