臺大工學院簡訊

 

隨著石油短缺、廢棄物處理等議題受到重視，以生物質廢棄物做為原料產生工業用化學品之反應觸媒開發與反應機理研究也受到關注。其中，生物質廢棄物衍生糠醛(furfural)等呋喃類化合物因具有許多得以活化之官能基，而被認為具有高度應用開發之潛能。但也因其具有高度的反應性，一般的主反應常伴隨大量副反應的發生。例如糠醛氫解成1,5-戊二醇(1,5-pentanediol)反應便容易產生1,2-戊二醇(1,2-pentanediol)與呋喃環全氫化等副產物，如此不但降低了1,5-戊二醇的產率，也同時提高了分離純化時所需的成本。因此，開發能有效抑制副產物生成之反應系統相當重要。

 

在本研究中，我們成功地將糠醛在溫和水相反應條件下轉化至高產率的1,5-戊二醇(75.2%)，且完全抑制1,2-戊二醇副產物之生成。利用同步合成(in situ)之白金嵌入MIL-53(Al)-NH₂有機金屬框架材料為前驅物，可以合出一具有白金高分散性之高附載量白金觸媒(Pt@Al₂O₃)。此觸媒配合硼氫化鈉(NaBH₄)之使用，可以有效地在低溫水溶液環境下將糠醛轉化為1,5-戊二醇，並抑制1,2-戊二醇之產生(如圖一)。經過XPS、 Pt L₃-edge XANES、²⁷Al MAS-NMR spectrum與³¹P MAS-NMR 分析(如圖二)，Pt@Al₂O₃之氧化鋁基材具有五面體配位之鋁(pentahedrally coordinated Al³⁺)，因此得以提升白金奈米粒子於氧化鋁基材的分散性。且此五面體配位之鋁扮演布朗士特酸(Brønsted acid)的角色，可以幫助硼氫化鈉之分解以提升反應效率。另外，一系列之NMR，反應性測試與密度泛函理論(density-functional theory)計算結果顯示，硼氫化鈉之水解產物NaBO₂可以抑制糠醛至1,2-戊二醇反應，進而達到無1,2-戊二醇產出之結果。（化工系吳嘉文教授提供 kevinwu@ntu.edu.tw）

 

圖一、同步合成Pt@Al₂O₃觸媒應用於糠醛轉化至1,5-戊二醇反應圖示

 

 

 

 

 

圖二、Pt@Al₂O₃ 與 Pt/Al₂O₃之 (a) Pt 4d_5/2 XPS spectrum、 (b) Pt L₃-edge XANES、 (c) ²⁷Al MAS-NMR spectrum、(d) ³¹P MAS-NMR spectrum 特性分析。