文章导读

过度使用石化柴油不仅会导致化石燃料的耗竭，还会造成严重的环境污染。为解决这一问题，使用碱性催化剂通过酯交换反应催化生物质油脂或废弃油脂转化为可再生的生物柴油已成为一条绿色低排放能源生产路线。目前，酯交换反应通常使用均相碱作为催化剂，虽然其具有良好的活性和较低的成本，但均相碱通常会腐蚀催化仪器且很难从生物燃料产品中去除，会导致后续纯化和废污处理成本大大提高。相比之下，非均相碱催化剂由于其具有环境友好且可循环使用等优势而更具工业发展潜力。然而，进一步提高非均相碱催化剂的稳定性和活性仍是挑战。

碱性分子筛，尤其是二维碱性分子筛，因其具有高比表面积、优异的稳定性，可高效催化油酯转化为生物柴油，是一种非常有前途的非均相碱催化剂。本综述介绍了用于油酯酯交换反应的碱性分子筛的合成、表征和催化性能的最新研究进展。通过总结不同制备方法的特点和不同表征技术的优势，揭示了分子筛的碱性位对酯交换反应性能的影响因素，并探讨了碱性分子筛在生物柴油生产中所面临的挑战和发展前景。

研究过程和结果

分子筛是一类由 TO4 (T = Si、Al、P 等) 四面体构成的无机晶体材料。将分子筛骨架中的原子替换为另一种具有较低化合价的原子会在骨架上带有负电荷，这些负电荷需要被质子或碱金属阳离子中和。正电荷和负电荷的出现使分子筛材料表现出酸性或碱性。分子筛的碱性主要分为两种，即本征碱性和附加碱性。本征碱性依赖于骨架中带负电荷的氧，这取决于分子筛的结构和化学组成。附加碱性碱度也来自于非骨架成分，例如碱性羟基、氧化物簇、负载金属等。

本综述介绍了一些代表性的碱性分子筛的合成方法。如离子交换法、浸渍法和一锅合成法 (图 1)。离子交换法主要通过将碱性阳离子引入到具有离子交换位的分子筛骨架中，从而降低分子筛框架的电负性来生成结构性碱性。在浸渍法中，可溶性碱金属前驱体被引入分子筛中，经过煅烧后可以分解成碱性物种。这些碱性物种可能具有它们自己的碱性特性，也可通过相互作用改变分子筛框架的碱性。一锅法是指在分子筛合成过程中直接引入碱金属或碱土金属等前驱体，这些组分的存在既可以稳定分子筛骨架结构，又可以在煅烧后产生碱性位，是一种节能省时的合成策略。

图 1. 碱性沸石的代表性合成策略。

分子筛中的碱性位点是酯交换反应的活性中心。深入研究分子筛中碱性位点的化学状态和位置，对于设计更高效的碱性分子筛催化剂来促进酯交换反应至关重要。本文介绍了一些典型的表征技术 (图 2)，例如温度程序升温脱附、红外光谱、核磁共振和 X 射线光电子能谱，这些典型的分析手段可以有效地表征分子筛材料的碱性位点强度、比例和浓度等重要碱性特征，对于评估碱性分子筛的碱催化性能至关重要。

图 2. 沸石中碱性位点的代表性表征技术。

此外，本综述分别介绍了微孔分子筛、纳米分子筛、多级孔分子筛以及二维碱性分子筛在生物质油脂酯交换反应的活性和特点 (图 3)。其中碱性二维分子筛因其具有开放的骨架结构、大的比表面积和丰富的碱性位在大分子油脂的酯交换反应中展现出了优异的催化活性和稳定性，是一种极具应用潜力的非均相碱催化剂。

图 3. 利用碱性沸石通过酯交换反应生产生物柴油。

总结与讨论

开发稳定而高效的碱性催化材料是催化生物质油脂转化为可持续性生物柴油的热点科研课题。从经济和环保的角度来看，性质稳定、酸/碱性可调的分子筛材料已在酯交换工艺中展示了巨大的应用潜力。本综述全面总结了碱性分子筛材料的合成方法、表征技术和酯交换生产生物柴油的催化性能。展望了碱性分子筛在酯交换反应中应用的前景，并提出开发出拥有大比表面积、优异传质能力、疏水性强、兼具稳定酸/碱中心的分子筛材料将是催化油脂生产生物柴油的重点研究方向。本综述旨在推进碱性分子筛材料的合成策略的发展，以扩大碱性分子筛在生物柴油和其他化学品生产中的实际应用。

原文出自 Chemistry 期刊

Yang, G.; Yu, J. Advancements in Basic Zeolites for Biodiesel Production via Transesterification. Chemistry 2023, 5, 438-451.

Chemistry 期刊介绍

主编：

Edwin Charles Constable, University of Basel, Switzerland

期刊专注于发表化学各个领域的原创性研究成果、综述性报道和简报通讯。主要研究方向包括但不限于：超分子与纳米化学；理论、计算和模拟化学；结晶学和物理方法；分子化学；无机材料和聚合物；催化与金属有机化学；药物与生物无机化学。目前已被 ESCI (Web of Science)、Scopus、DOAJ、CaPlus/SciFinder 等数据库收录。 

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