锌基双金属催化剂催化乙酰丙酸加氢性能研究

耿付江 ,  韩文鹏 ,  王淑娟 ,  朱廷春 ,  胡俊平 ,  李金龙

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 163 -169.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 163-169. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.029
科研与开发

锌基双金属催化剂催化乙酰丙酸加氢性能研究

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Study on catalytic performance of zinc-based bimetallic catalyst for hydrogenation of levulinic acid

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摘要

通过共沉淀方法制备了3种锌基双金属催化剂Ni/ZnO、Co/ZnO和Cu/ZnO,将其用于催化乙酰丙酸(LA)选择性加氢制备γ-戊内酯(GVL)。结果表明,催化剂活性顺序为: Co/ZnO>Cu/ZnO>Ni/ZnO。表征结果表明,制备得到的3种催化剂均具有类似花状形貌且颗粒尺寸分布均匀。Co/ZnO催化剂的高催化活性主要来自于Co0金属位点、Co0与ZnO间强相互作用以及高的酸性位点含量。当Co/ZnO催化剂质量为100 mg、反应温度为130℃、反应压力为2 MPa H2、反应溶剂为1,4-二氧六环、反应时间为4 h时,LA转化率为100%,GVL收率为95.5%。催化剂循环5次后,活性并未明显降低,展现出了较好的稳定性。

Abstract

Three kinds of zinc-based bimetallic catalysts,including Ni/ZnO,Co/ZnO and Cu/ZnO,are prepared via a co-precipitation method,and used to catalyze the selective hydrogenation of levulinic acid to produce γ-valerolactone.Results indicate that the catalytic activity sequence is Co/ZnO>Ni/ZnO>Cu/ZnO.Characterization results show that all three kinds of catalysts prepared have flower-like morphology and uniform particle size.The high catalytic activity of Co/ZnO catalysts is primarily attributed to Co0 metal sites,strong interaction between Co0 and ZnO,and high content of acidic sites.The conversion rate of levulinic acid and the yield of γ-valerolactone are 100% and 95.5%,respectively when the dosage of Co/ZnO catalyst is 100 mg,reaction temperature is 130℃,reaction pressure is 2 MPa H2,1,4-dioxane is served as reaction solvent,and the reaction lasts for 4 hours.In addition,after 5 cycles,the activity of the catalyst does not decrease significantly,demonstrating a good stability.

Graphical abstract

关键词

双金属催化剂 / 选择性加氢 / γ-戊内酯 / 乙酰丙酸

Key words

bimetallic catalyst / selective hydrogenation / γ-valerolactone / levulinic acid

Author summay

耿付江(1984-),男,博士,实验师,研究方向为生物质定向转化应用,

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耿付江,韩文鹏,王淑娟,朱廷春,胡俊平,李金龙. 锌基双金属催化剂催化乙酰丙酸加氢性能研究[J]. 现代化工, 2025, 45(2): 163-169 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.029

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随着化石能源的过度开采,能源短缺和环境污染等问题日益凸显,急需寻找化石能源的替代品。生物质作为唯一一种可固定碳的可再生资源,具有储量巨大、来源广泛、利用过程碳中和等优点,是替代化石能源的理想选择[1]。生物质经一系列催化转化可转变为生物质平台分子。2004年,美国能源部报告了10种未来重点开发利用的生物质平台分子,其中乙酰丙酸(LA)由于多功能性引起了广泛关注[2]。LA经不同的催化过程可以生产多种高附加值化学品,如γ-戊内酯(GVL)、二酚酸(DPA)、2-甲基四氢呋喃(MTHF)和各种酯类和树脂等[3]。其中,GVL被认为是一种十分有前景的生物质化学品,其可作为食品添加剂和香料,也可以作为燃料添加剂和柴油增氧剂等[4]。为了有效催化LA获得GVL,关键是合成具有高反应性能的催化剂。
贵金属基催化剂如Ru、Rh、Pd、Pt等可在较温和反应条件下催化LA制备GVL。如Ibrahim等[5]制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)负载Ru纳米颗粒的Ru/PVP催化剂,并在温和条件下(120℃、2 MPa H2)催化LA选择性加氢制GVL,GVL收率高达99%。但从绿色经济性和可持续性方面考虑,开发高效的非贵金属基催化剂已成为GVL合成领域的研究重点。目前,常用的非贵金属有Ni、Cu、Co等[6-7]。但单一金属的Cu、Ni基催化剂反应活性很低,需要较高的反应温度才能有效活化LA,另外LA的溶液存在较强酸性、容易造成催化剂稳定性差等问题,因此人们又将目光转移到双金属催化剂。在LA加氢反应中,双金属催化剂因存在协同作用而使反应性能得到大幅提升[8-9]。但目前报道的双金属催化剂主要以添加贵金属元素为主,如Ag、Au、Pd等[10-11]。从工业角度出发,开发更为绿色高效的双金属催化剂仍是未来发展的重要方向。
笔者通过共沉淀方法制备了3种锌基双金属催化剂,对比了其催化LA加氢制备GVL的反应性能。系统探究了反应温度、反应时间、反应压力和催化剂用量等对于催化LA选择性加氢制备GVL的影响。

1 实验部分

1.1 实验试剂

六水合硝酸镍、六水合硝酸钴、五水硫酸铜、六水合硝酸锌、碳酸钠、乙酰丙酸、γ-戊内酯、1,4-二氧六环、甲苯,均为分析纯,阿拉丁试剂有限公司生产。

1.2 催化剂的制备

Co/ZnO催化剂制备过程如下:配制0.06 mol/L硝酸钴,与配制好的0.228 5 mol/L的硝酸锌混合,然后配制0.5 mol/L碳酸钠溶液。在烧杯中提前加入1 000 mL水,放入80℃水浴中不断搅拌,接着用蠕动泵将上述溶液泵入烧杯中反应,调节蠕动泵流速使混合液pH=7.0。反应后,得到沉淀物并陈化 2 h;随后,将沉淀物洗涤、干燥,得到催化剂前驱体。将催化剂前驱体放入管式炉400℃焙烧3 h,获得CoO/ZnO样品。随后,将氧化态样品在450℃氢气气氛下(20 mL/min、3 h)还原得到Co/ZnO催化剂。
Ni/ZnO和Cu/ZnO催化剂遵循上述制备过程,仅将硝酸钴替换为等浓度的硝酸镍溶液和硫酸铜溶液即可。

1.3 表征

TG209F3型热重分析仪(TG),德国耐驰公司生产。D8 Advance A25型X-射线粉末衍射仪(XRD),德国公司生产。iCPA6300型电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES),美国Thermo Electron公司生产。TP-5080型H2-TPR和NH3-TPD化学吸附仪,天津先权公司生产。JSM-7001F型扫描电子显微镜(SEM),日本电子株式会社生产。JEM-2100F型透射电子显微镜(TEM),日本电子株式会社生产。Scientif K-Alpha型X-射线光电子能谱仪(XPS),美国Thermo Fisher生产。

1.4 LA催化加氢测试

在高压釜中进行乙酰丙酸催化测试:分别称取 1 mmol LA、50 mg甲苯(内标)、适量催化剂和 10 mL 1,4-二氧六环溶剂加入反应釜中。密封设备,通入H2将空气彻底置换。设定氢气压力和温度,待反应后降至室温,经过滤、离心分离上层清液进行定性、定量分析。

1.5 产物分析

通过气相色谱与质谱联用仪进行定性分析,利用气相色谱仪进行定量分析。
使用LA和GVL纯品配制不同浓度的溶液,以甲苯内标物(50 mg)绘制标准曲线。以GVL收率为例,绘制的标准曲线如图1所示。
标准曲线方程:
y = 0.445   03 x
GVL收率计算方程:
G V L / % = ( G V L / ) ÷ 0.445   03 × 50 ÷ M G V L × 100 %
式中:MGVL为GVL的摩尔质量。

2 结果与讨论

2.1 催化剂结构表征

2.1.1 TG分析

为了确定催化剂前驱体焙烧温度,运用TG技术分析催化剂前驱体的热分解特性,结果如图2所示。从图2(a)中可以看出,Co/ZnO前驱体中除了50~100℃范围内由样品表面吸水导致的轻微失重外,只观察到1个平滑且陡峭的失重台阶[12]。当温度约220℃时,前驱体发生明显失重,约290℃时失重速率最大,当温度超过320℃时,几乎不再失重,说明前驱体热分解过程已经完成。从图2(b)中可以看出,Cu/ZnO前驱体的TG曲线中除由样品表面吸水导致的轻微失重外,可观察到2个明显的失重台阶,分别是约260℃和320℃,表明此前驱体热分解过程是经历两步完成的。从图2(c)中可以看出,Ni/ZnO前驱体的热分解过程与Co/ZnO前驱体类似,但失重速率最大出现在约310℃。综合分析可知,这3种前驱物的热分解过程均为较简单的过程,为了保证前驱体能完全分解,同时避免高温焙烧导致样品烧结,所以前驱体的焙烧温度皆选定为400℃。

2.1.2 H2-TPR分析

为了确定催化剂还原温度,运用H2-TPR技术对焙烧后样品进行分析,结果如图3所示。由图3可知,H2-TPR曲线主要在150~300℃和320~520℃间出现明显的H2峰。对于CoO/ZnO,在约280℃和450℃出现2个明显的H2峰,较弱的Co还原峰来自于游离态的Co氧化物的Co2+还原为Co0的过程,较强的Co还原峰来自于与载体ZnO具有较强相互作用的Co2+还原为Co0的过程。对于CuO/ZnO,仅在约260℃出现明显的H2峰,对应与ZnO相互作用的Cu2+还原为Cu+或Cu0的过程,显然与CoO/ZnO相比,Cu的氧化物容易还原。对于NiO/ZnO,仅在约450℃出现明显的H2峰,对应与ZnO具有强相互作用Ni2+还原为Ni0的过程,显然Ni的氧化物较难还原。因此,实验选择450℃为最佳还原温度。

2.1.3 XRD分析

催化剂前驱体焙烧和还原后的XRD谱图如图4所示。从图4(a)中可以看出,焙烧后的样品在2θ为31.5、34.5、36.4、47.5、56.7、63.0°和67.9°的衍射峰归属于ZnO(JCPDF 00-036-1451)。焙烧后的CoO/ZnO在2θ为44.7、55.1、58.9°和64.7°的衍射峰归属于CoZn2O4(JCPDF 00-023-1309),除此之外并未观察到其他Co氧化物的衍射峰,表明焙烧后样品中主要以CoZn2O4形式存在[13]。但由H2-TPR分析结果可知,焙烧后样品中确实存在游离态Co氧化物,说明游离态的Co氧化物颗粒尺寸较小且均匀分散。而焙烧后的CuO/ZnO在2θ=38.7°处出现特征衍射峰归属于CuO(JCPDF 00-045-0973);焙烧后的NiO/ZnO在2θ=43.0°处出现特征衍射峰归属于NiO(JCPDF 00-047-1049),且衍射峰强度较强。从图4(b)中可以看出,经H2还原后各样品中活性金属氧化态均得到不同程度的还原。对于Co/ZnO催化剂,CoZn2O4的衍射峰强度减弱,表明Co氧化物被还原为Co0,但并未观察到Co0衍射峰,说明形成的Co0颗粒粒径较小或分散均匀。对于Cu/ZnO催化剂,CuO的衍射峰强度减弱,并伴有Cu0衍射峰出现,表明CuO被还原为Cu0;对于Ni/ZnO催化剂,NiO的衍射峰强度减弱,并伴有Ni0衍射峰出现,表明NiO被还原为Ni0

2.1.4 金属质量分数及织构性质

3种催化剂金属质量分数和织构性质分析结果如表1所示。从表1中可以看出,与催化剂理论金属质量分数(Co质量分数为16%,Cu质量分数为17.5%和Ni质量分数为16%)相比,经ICP-AES确定的催化剂金属质量分数分别为Co 15.8%、Cu 17.0%和Ni 15.8%,与理论值基本保持一致。催化剂的织构性质由N2物理吸脱附表征分析,Co/ZnO催化剂展现出最大的比表面积(55.6 m2/g),Cu/ZnO催化剂次之(42.1 m2/g),Ni/ZnO催化剂最小(27.5 m2/g),而比表面积的大小会影响催化剂活性组分与反应物的接触,进而影响其催化性能。

2.1.5 SEM、TEM分析

各催化剂样品的SEM图如图5所示。
图5可知,还原后的催化剂主要呈现不同类型的“花状”微球,且每个微球均以多层“片状”形貌堆叠构成,这种二次堆叠的形貌对活性组分的分散及催化效果起到重要影响。通过SEM-EDS分析相应催化剂组成元素的分布情况,结果如图6所示。
图6可知,在催化剂中Co(Cu、Ni)、Zn和O三种元素呈均匀分布,这归结为二次分散的“片状”颗粒能够较好地分散金属活性组分。各催化剂样品的TEM图如图7所示。从图7中可以看出,3种催化剂中均可以观察到晶面间距(d)为0.25 nm的ZnO(101)晶面结构。此外,从图7(a)中可以看出,主要是晶面间距(d)为0.205 nm的金属Co(111)晶面,从图7(e)可以看出,主要是晶面间距(d)为0.20 nm的金属Cu(111)晶面,从图7(i)中可以看出,主要是晶面间距(d)为0.203 nm的金属Ni(111)晶面,表明在还原态的3种催化剂中主要以金属形式存在[12,14-15]。从图7(b)~图7(c)图7(f)~图7(g)图7(j)~(k)中可以看出,Co/ZnO催化剂中金属颗粒分布较为均匀且颗粒较小;Ni/ZnO催化剂中金属颗粒出现类似团聚现象且颗粒较大;Cu/ZnO催化剂中金属颗粒尺寸介于两者之间。
通过对图7(d)图7(h)图7(l)进行粒径分析可知,Co/ZnO中催化剂粒径尺寸以7~8 nm为中心呈正态分布,Cu/ZnO中催化剂粒径尺寸以16~17 nm为中心呈正态分布,Ni/ZnO中催化剂粒径尺寸以27~28 nm为中心呈正态分布。由此可以推测,由于Co/ZnO催化剂中活性金属颗粒分布均匀且颗粒较小,在具体的催化反应过程中展现出较好的催化性能。

2.1.6 XPS分析

3种催化剂XPS谱图如图8所示。由图8(a)可知,Co/ZnO催化剂的Co 2p谱图可分为4个高斯峰。其中结合能为780.9 eV和796.5 eV的Co 2p3/2和Co 2p1/2双峰归属于金属Co0,而结合能为786.0 eV和802.7 eV的双峰归属于Co2+。Co2+来源于催化剂制备时钝化步骤对于催化剂表面层的氧化,另外,Co2+的存在也表明在制备和还原过程中有除Co氧化物以外的其他钴物种生成[16]。由图8(b)可知,Cu/ZnO催化剂的Cu 2p谱图可分为4个高斯峰。其中结合能在932.9 eV和953.2 eV的双峰对应于Cu 2p3/2和Cu 2p1/2。另外,在932.9 eV和953.2 eV附近发现了卫星峰,表明还原后催化剂样品中活性金属Cu发生了部分氧化,形成少量的CuO[17]。与Co/ZnO催化剂类似,Cu/ZnO中的氧化物是由于催化剂还原过程中的钝化步骤导致,此结论也在Ni/ZnO催化剂中被证实。由图8(c)可知,Ni/ZnO催化剂的Ni 2p谱图可分为6个高斯峰。其中结合能为856.2 eV和873.6的Ni 2p3/2和Ni 2p1/2双峰归属于Ni0,而结合能为861.5 eV和879.8 eV的双峰归属于Ni2+[18]。与上述分析类似,Ni2+来源于催化剂制备时钝化步骤对于催化剂表面层的氧化。由图8(d)可知,纯载体ZnO中的Zn 2p的XPS谱图中1021.2 eV和1044.3 eV分别对应了Zn 2p3/2和Zn 2p1/2的结合能。与纯ZnO载体相比,负载了Co、Cu和Ni的催化剂中载体ZnO中Zn 2p3/2和 Zn 2p1/2的结合能均向高结合能方向偏移了约0.2~0.5 eV,说明活性金属与ZnO之间存在较强的相互作用,此结论也被H2-TPR结果证实。

2.1.7 NH3-TPD分析

3种催化剂表面酸性位点的NH3-TPD分析结果如图9表2所示。由图9可知,Co/ZnO和Cu/ZnO均有3个明显的NH3脱附峰,其中100~200℃处对应弱酸性位点上的NH3的脱附;200~400℃处峰对应中等酸性位点上的NH3的脱附;400℃以上峰对应强酸性位点上的NH3的脱附。而Ni/ZnO催化剂有1个明显的NH3脱附峰,对应于中等酸性位点上的NH3的脱附。由表2可知,Co/ZnO催化剂总酸量最高,为0.161 mmol/g,Cu/ZnO催化剂次之,为0.148 mmol/g,Ni/ZnO催化剂总酸量最低,为0.125 mmol/g。催化剂酸量的不同也对催化剂的催化性能具有重要影响[19]

2.2 催化剂性能评价

3种催化剂对于LA转化为GVL的影响情况如图10所示。从图10中可以看出,在反应1~4 h内,目标产物GVL的收率均呈现增长趋势;4 h后,GVL的收率基本保持不变。另外,对比3种催化剂的催化性能发现,反应4 h时,Ni/ZnO催化剂的催化性能最差,GVL的收率仅为50.5%,其次是Cu/ZnO催化剂为77.6%,Co/ZnO催化剂展现出最优的催化性能,GVL的收率最高为85.5%。原因是:Co/ZnO催化剂中金属Co0可以作为催化活性位点,在LA加氢制备GVL中起到活化H2和催化加氢的作用;Co/ZnO具有最大的比表面积(55.6 m2/g),能够提高反应的接触界面;Co/ZnO具有特定形貌且活性金属Co0颗粒尺寸较小、分布均匀,Co/ZnO具有较强的金属-载体相互作用,能够较好地分散活性组分;Co/ZnO催化剂被证实具有最高的总酸量(NH3-TPD)。因此,Co/ZnO催化剂具有最优的催化性能。

2.3 反应条件及稳定性测试

反应温度、反应压力和催化剂质量对LA催化反应的影响如表3所示。从表3中可以看出,在110~130℃时,LA的转化率和GVL收率均呈上升趋势,在130℃时实现LA完全转化,此时GVL收率为95.5%。进一步升温至140℃时,LA转化率和GVL收率没有明显改变,因此,最佳反应温度为130℃在1~2 MPa范围内,随着压力的增加,LA的转化和GVL收率逐渐增加,在1.5 MPa H2下实现LA完全转化,但在2 MPa H2下GVL收率达到最高。进一步增加H2压力至2.5 MPa对反应结果没有明显影响,故最佳反应压力为2 MPa。当催化剂质量为50 mg和70 mg时,LA转化率分别为88.9%和95%,GVL收率分别为60.3%和88.7%,增加催化剂质量至100 mg时,可实现LA完全转化,GVL收率增加至95.5%,进一步增加催化剂的质量至120 mg对反应结果没有明显影响。因此,最佳反应条件为:反应温度为130℃、反应压力为2 MPa H2、催化剂质量为100 mg,反应4 h后LA转化率为100%,GVL收率为95.5%。
另外,研究了3种催化剂的循环使用性能,结果如表4所示。从表4中可以看出,Co/ZnO在5次循环试验后仍能保持较好的催化活性,第6次循环后催化性能才有轻微的降低,而对于Cu/ZnO催化剂和Ni/ZnO催化剂,在第3次和4次循环后,催化性能都有大幅下降,表明Co/ZnO可作为一种稳定的催化剂应用于LA制备GVL。

3 结论

通过简单的化学共沉淀方法成功合成了金属离子均匀分布的催化剂前驱体,经焙烧、还原得到3种锌基双金属催化剂,并将其用于LA催化转化制备GVL。结果表明,制备得到的3种催化剂均具有类似花状形貌且颗粒尺寸分布均匀。初步催化结果表明,Co/ZnO催化剂展现出了最佳的反应活性,Cu/ZnO催化活性次之,Ni/ZnO催化活性最差。Co/ZnO催化剂的高催化活性主要来自于Co0金属位点、Co0与ZnO间强相互作用以及高的酸性位点含量。通过优化获得最佳反应条件:反应温度为130℃、反应压力为2 MPa H2、催化剂质量为100 mg,反应4 h后LA转化率为100%,GVL收率为95.5%,此外,催化剂展现出了较好的稳定性。

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基金资助

邯郸学院校级项目(XZ2024023)

河北省实验教学和教学实验室建设研究项目

河北省高等学校科学研究项目(ZC2023005)

邯郸市科技专项计划自筹经费项目(23422404144ZC)

邯郸学院教育教学改革研究与实践项目(2023XJJG015)

河北省杂环化合物重点实验室开放课题(KF202405)

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