半纤维素原料定向转化合成二元醇高效催化剂构筑和反应调控机制的研究
批准号:
32071723
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
夏海岸
依托单位:
学科分类:
草培育、保护与利用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
夏海岸
中文摘要
半纤维素定向转化合成乙二醇和丙二醇大宗生物化学品,对于缓解当今日益严峻的能源和资源短缺问题具有重要的科学意义。本项目采用温和水解、催化氢解二步策略,实现林业剩余物半纤维素定向转化及产物选择调控。采用优化的制备方法,构筑尺寸和结构可控的纳米空心球“限域”的Ni基双金属催化剂,研究它们催化半纤维素水解液氢解制备二元醇的反应性能。应用X-射线光电子能谱、化学吸附、高分辨透射电镜等分析手段,研究催化剂活性组分结构,从原子/分子水平上阐明催化剂表-界面结构与氢解性能的关系。应用原位拉曼光谱技术,动态跟踪氢解反应过程关键中间产物产生及转化规律,揭示氢解反应机理。初步建立调控催化反应路径的有效方法,设计优化催化剂表-界面结构和活性中心,有望达到在温和条件下催化半纤维素原料定向转化为二元醇等目标产物,这些方面的研究将为催化剂分子设计和林业剩余物半纤维素的高值化利用提供理论基础和科学依据。
英文摘要
The catalytic synthesis of ethylene glycol and propylene glycol using hemicellulose as a starting material is of great scientific significance for alleviating the increasingly serious energy and resource shortage. In this project, the two-step strategy of mild hydrolysis and catalytic hydrogenolysis will be employed to realize the catalytic transformation of hemicellulose and product selectivity regulation. A novel Ni based bimetallic catalyst with controllable size and structure will be fabricated by optimizing preparation steps, and their catalytic performance for the synthesis of diols from hemicellulose hydrolysate will be investigated. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), chemisorption and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) will be employed to study the structure of the active sites of the catalyst and reveal the relationship between the structure of surface-interface and catalytic performances at the atomic/molecular level. In situ Raman spectroscopy will be used to dynamically track the formation and conversion of key intermediates in the hydrogenolysis process and reveal the mechanism of hydrogenolysis. An effective method for regulating the catalytic reaction path will be preliminarily established. It is expected to achieve the goal of efficient conversion of hemicellulose raw materials to diols under mild conditions, and these studies will provide theoretical understanding and scientific insights for the molecular design of catalysts and the high-value valorization of forestry residue hemicellulose.
由于化石资源的日益枯竭和国家对“双碳”目标的实施,亟待开发新能源尤其是可再生能源来代替目前的化石资源。二元醇作为高附加值的大宗化学品,市场需求旺盛,目前大部分二元醇的生产主要是以石油衍生的低碳烯烃为原料合成。木质纤维素作为一种储量丰富、来源广泛的可再生资源,其高值化利用具有重要的研究意义。半纤维素是木质纤维素主要组成部分,其多羟基的结构赋予了它较活泼的化学性质,但也对其高效定向转化带来了一定的挑战。木糖作为半纤维素的主要组成结构单元,其催化加氢/氢解制木糖醇/二元醇是木糖高值化利用的重要途径,设计出高效、稳定的催化剂以及选择调控C-C和C-O键的断裂是实现木糖/半纤维素高值化利用的关键问题。本项目以木糖/半纤维素为底物,设计了Cu-Re/AC、Ni-W/CeO2、Ru-W/CeZrOx、Ru-Re/ CeZrOx、Ni-W-Al2O3等双金属催化剂,研究了这些催化剂催化氢解木糖/半纤维素为二元醇的方法,考察了温度、压力、时间、金属种类、金属负载量等因素对木糖氢解制备二元醇的影响。以4%Ru-1%Re/CZO为催化剂,二元醇选择性最高,在反应条件为3 MPa H2,200 ℃反应温度条件下反应2 h,乙二醇产率为28.8%,1,2-丙二醇产率为41.1%,总产率高达为65%。采用溶胶-凝胶法制备了低成本的非贵金属催化剂Ni-W-Al2O3,在相对温和的反应条件下,获得了22.7%的乙二醇产率以及23.3%的1,2-丙二醇产率,二元醇总产率最高为46.1%。当以半纤维素为底物时,产物分布与木糖作为底物时相似,二元醇选择性为41.4%,且催化剂稳定性极佳,循环四次后对二元醇选择性保持不变。通过XRD、XPS、TEM等表征手段并结合催化剂氢解木糖性能,分析了催化剂的表-界面结构、活性位点之间的协同作用以及催化性能之间的关系。在对模型化合物木糖氢解进行深入研究的基础上,探索了以半纤维素为底物的催化氢解反应机理。本项目共发表SCI论文8篇,申请专利2项,培养研究生3名,达到了基本的预期目标。项目经费使用合理,严格按照项目的经费预算进行实施。
制高品质生物燃料的Pd/MWCNTs催化剂的制备及其催化性能研究
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批准号:31200445
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2012
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负责人:夏海岸
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依托单位:
国内基金
海外基金