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锡铈双金属多孔配位聚合物的精准合成及其在葡萄糖制HMF反应中的催化性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求不断增长，传统化石能源的大量消耗带来了严重的能源危机和环境污染问题。据国际能源署（IEA）统计，过去几十年间，全球能源消费总量持续攀升，而化石能源在能源结构中仍占据主导地位。化石能源的燃烧不仅导致了二氧化碳等温室气体的大量排放，加剧了全球气候变暖，还产生了二氧化硫、氮氧化物等污染物，引发酸雨、雾霾等环境问题，对生态系统和人类健康造成了巨大威胁。

开发可再生能源和高附加值化学品成为解决能源和环境问题的关键。生物质作为一种丰富的可再生资源，具有来源广泛、储量巨大、环境友好等优点，被视为替代化石能源的理想选择之一。通过将生物质转化为高附加值的化学品，可以实现资源的高效利用，减少对化石能源的依赖，降低环境污染，推动可持续发展。

5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种重要的生物质平台化合物，具有独特的分子结构和化学性质，在医药、农药、染料、材料等领域展现出广阔的应用前景。在医药领域，HMF可用于合成多种药物中间体，如用于制备抗生素、抗癌药物等；在农药领域，HMF的衍生物可作为新型农药的活性成分，具有高效、低毒、环境友好等特点；在材料领域，HMF可用于合成高性能聚合物材料，如聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF），其性能优于传统的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），具有良好的阻隔性、机械性能和生物降解性。HMF还可通过加氢、氧化等反应制备其他高附加值化学品，如2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、2,5-二甲酰基呋喃（DFF）等，这些化学品在化工、能源等领域也具有重要的应用价值。

葡萄糖作为生物质的主要组成部分，来源丰富、价格低廉，以葡萄糖为原料制备HMF具有重要的现实意义。然而，葡萄糖制备HMF的反应过程复杂，涉及多个步骤和中间产物，且反应条件较为苛刻，容易产生副反应，导致HMF的产率和选择性较低。开发高效的催化剂成为提高葡萄糖制备HMF效率的关键。

1.2研究现状

目前，葡萄糖制备HMF的方法主要包括均相催化法和多相催化法。均相催化法通常使用无机酸（如硫酸、盐酸等）或路易斯酸（如氯化铁、氯化锌等）作为催化剂，在高温高压下进行反应。这种方法具有反应活性高、反应速度快等优点，但存在催化剂难以分离回收、对设备腐蚀严重、产生大量废水等问题，不符合绿色化学的要求。

多相催化法使用固体催化剂，克服了均相催化法的缺点，具有催化剂易分离回收、可重复使用、对环境友好等优点，成为研究的热点。常用的多相催化剂包括固体酸催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂等。固体酸催化剂具有较强的酸性位点，能够促进葡萄糖的异构化和果糖的脱水反应，但在反应过程中容易发生积碳和失活现象；金属催化剂具有较高的催化活性和选择性，但价格昂贵，资源稀缺；金属氧化物催化剂具有稳定性好、成本低等优点，但催化活性相对较低。

多孔配位聚合物（PCPs），也被称为金属有机框架（MOFs），是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的新型晶态多孔材料。PCPs具有高比表面积、可调控的孔道结构和丰富的活性位点等特点，在催化领域展现出巨大的应用潜力。其高比表面积提供了更多的活性位点，有利于反应物的吸附和反应的进行；可调控的孔道结构能够实现对反应物和产物的筛分和选择性吸附，提高反应的选择性；丰富的活性位点则可以通过与反应物分子的相互作用，促进反应的发生。在催化葡萄糖制备HMF的反应中，PCPs的孔道结构可以限制反应物和产物的扩散，减少副反应的发生，提高HMF的选择性；其活性位点可以与葡萄糖分子发生相互作用，促进葡萄糖的异构化和脱水反应，提高反应活性。

锡（Sn）和铈（Ce）是两种具有独特物理化学性质的金属元素。Sn具有良好的Lewis酸性，能够促进葡萄糖的异构化反应，将葡萄糖转化为果糖；Ce具有较强的氧化还原性能，能够调节催化剂的电子结构和表面性质，提高催化剂的活性和稳定性。将Sn和Ce引入多孔配位聚合物中，形成锡铈双金属多孔配位聚合物，有望结合两者的优势，实现对葡萄糖制备HMF反应的高效催化。研究表明，锡铈双金属之间的协同作用可以提高催化剂的活性和选择性，增强催化剂的稳定性。在一些催化反应中，Sn和Ce的协同作用能够促进反应物的活化和转化，提高反应的效率和选择性。

目前，关于锡铈双金属多孔配位聚合物的研究主要集中在其合成方法和结构表征方面，在催化葡萄糖制备HMF领域的研究还相对较少。已有的研究表明，锡铈双金属多孔配位聚合物在该反应中表现出了一定的催化活性和选择性，但仍存在一些问题，如催化剂的制备过程复杂、成本较高，催化活性和选择性有待进一步提高等。因此，开发简单高效的合成方法，制备高