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耦合溶剂、NaCl和改性碳材料催化二聚糖转化为高附加值化学品的机理

批准号:
22073064
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
杨华清
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨华清

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
以开发利用纤维素和半纤维素为背景,以二聚糖为模型化合物,以发展绿色高效的将二聚糖直接转化为呋喃类、乙醇醛、乳酸、乙酰丙酸、γ–戊内酯等高附加值化学品的催化剂体系为目标,采用高精度的分子力场和量子力场相结合的方法,尝试发展适宜于二聚糖在溶剂介质中转化的分子动力学模拟的新方法,探明NaCl在溶剂介质中正负离子对的结构、及其与多羟基二聚糖作用的反应活性位点和分子作用机制,构建溶液中碳材料界面上的活性中心(Al、W、Ru、–RSO3H和–RNH2等)活化糖类中间体中O–H、C–OH、C–H、C–C、C–O–C等化学键的协同反应机理,获得其结构与性能的关系。积累和总结由二聚糖高选择性合成高附加值化学品的规律性认识。以此为依据,理性设计兼具解聚、异构、脱水、逆羟醛缩合/羟醛缩合、氧化/还原等多功能碳材料催化剂体系,实施实验验证。为理性设计纤维素和半纤维素高效转化利用催化体系提供理论依据。
英文摘要
With the dwindling supply of fossil fuel, the renewable lignocellulosic biomass has attracted more and more attention and become an important raw material for the production of valuable chemicals. Lignocellulosic biomass is composed of cellulose, hemicellulose, and lignin, with the associated highly complex composition and hydrophobic interaction. Among them, the convertion of cellulose and hemicellulose into high value-added chemicals, such as, furans, glycolaldehyde, lactic acid, levulinic acid, and γ-pentalactone, has attracted growing interest. The disaccharide can be preferred as the model compound of cellulose and hemicellulose. For the conversion of disaccharide to high added-value chemicals in protic or plor aprotic solvents, the method of combining high precise quantum force field with molecular force field are explored to investigate the catalytic reaction mechanisms. The contents of the present investigation are as follows: (a) to propose a new method of molecular dynamics simulation for the conversion of disaccharide in solvent medium, (b) to explore the structure of Na+–Cl– ion pair in solvent medium, and its effect on the conversion of disaccharide with polyhydroxy, (c) to acquire the reaction mechanism for the activating typical chemical bonds (O–H, C–OH, C–H, C–C, C–O–C and so on) in disaccharide, catalyzed by the grafted carbon materials with active sites, such as, W, Ru, – RSO3H and – RNH2, (d) to provide insight into the intrinsic relationship between structure and property of active species, and (e) to develop the rational design for the catalytic system of multi-functional carbon materials, including depolymerization, isomerization, dehydration, reverse aldol condensation, aldol condensation, oxidation, and reduction, and so on. Furthermore, typical experimental verification will be carried out. The present investigation is helpful to develop the green and effective catalytic system for the conversion of cellulose and hemicellulose into high added-value chemicals. It is very important to explore the rule of the complicated system kinetics, to utilize reasonably resource, to control envirnomeantal pollution, to innovate the low-carbon technology, and to bring into effect on the continuous development of economy.
纤维素和半纤维素是自然界中既廉价又丰富的生物质资源,其催化转化得到呋喃类、乙醇醛、乳酸、乙酰丙酸、γ–戊内酯等高附加值化学品是连接生物质化学和石油化工的重要平台化合物。以二聚糖为模型化合物,采用高精度的量子化学、分子力场、分子动力学模拟、以及实验验证等方法,研究了二聚糖转化为高附加值化学品的催化反应机理。研究成果如下:(1). 获得了溶剂介质对二聚糖(β-纤维二糖)、单糖(葡萄糖、果糖以及山梨醇)等稳定构象影响,以及对活性组分(如,NaCl、NaI、Al(OTf)3、Ga(OTf)3、W物种、Sn(OTf)2和H3PW12O40等)结构特征影响的规律性认识。(2). 构筑了改性的碳材料,如,单原子M-Nx/C(M = Sc ~ Zn,Ru)、双原子PdM/NC (M = Fe, Co, Ni 和 Pd)、双原子Ru2/NC、以及团簇W4C2/AC等的催化剂模型;以及Pt3Ni团簇、Al-MCM-41分子筛、Nb2O5、Ptn/Nb2O5、和Ru1/NbOPO4等的催化剂模型。(3). 构建了上述活性组分和催化剂模型促进或催化糖类(纤维二糖、葡萄糖、果糖)、平台化合物(5-羟甲基糠醛、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、乙酰丙酸)、以及典型小分子(如O2、H2、H2O、CH3OH、HCOOH和C2H6等)等高值转化的反应机理。并获得了催化活性中心的官能团的结构组成与催化性能的关系。(4). 根据生物质转化利用的研究现状,构建了Ni12P6团簇和Ni12P5团簇催化丁酸加氢脱氧的反应机理,Ru物种催化木质素衍生二聚体加氢解聚的反应机理,以及单原子Ni1/CeO2催化愈创木酚加氢脱氧的反应机理。该研究成果为理性设计纤维素/半纤维素的高效利用的催化体系提供了理论支撑,对有效合理地利用生物质资源具有重要意义。在该项目的资助下,已经发表SCI收录的期刊论文20篇,发表中文核心期刊2篇,共计22篇,均为第一标注。已经培养毕业博士研究生3名,毕业硕士研究生4名;正在培养在读博士研究生3名,在读硕士研究生5名。
Al基催化剂作用下葡萄糖转化为呋喃类化合物反应机理的理论研究
  • 批准号:
    21573154
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    杨华清
  • 依托单位:
Rh和Pt团簇催化净化汽车尾气反应机理的理论研究
  • 批准号:
    21343001
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    杨华清
  • 依托单位:
模拟甲烷单加氧酶羟化甲烷及其衍生物的理论研究
  • 批准号:
    20503017
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2005
  • 负责人:
    杨华清
  • 依托单位:
国内基金
海外基金