负载金属的多级孔材料用于木质素催化降解

Lignin is an important renewable resources of aromatic derivatives. According to multi-scale evolution of molecule size during lignin decomposition, it is essential to design hierarchical porosity catalysts (HPC), which access to large molecule and possess enough active sites for efficient conversion of lignin. Lignin molecules with large size diffuse into HPC through large pores and decompose first to fragment molecules, which diffuse into small pores for complete decompose to monomers. In this project, carbon material and zeolite with hierarchical pores are prepared controllably via hard template and post treatment methods, respectively, and subsequently, active metal Ni is supported into the pores. Optimized synthesis is proposed to controllably prepare HPC matching with lignin molecule size. Reaction pathway of lignin in HPC is analyzed, and the diffusion and reaction processes of lignin and fragment molecules in channels with different sizes. The Influences of porosity properties and active metal on lignin decomposition are revealed via comparisons between hierarchical carbon material and zeolite. Preparation method of highly active and stable HPC is established based on the stability and deactivation of HPC for practical application. The project is proposed to provide a support to the state-of-art for efficient utilization of lignin resources.

木质素是重要的可再生芳烃资源，根据木质素降解过程中分子尺寸的多尺度变化，设计既能满足大分子进入孔道、又能提供足够活性位点的多级孔催化剂是解决木质素高效转化的关键。木质素大分子通过较大的孔道扩散进入多级孔催化剂，进行初步降解；得到的碎片分子扩散进入较小的孔道，在更多的活性位点催化下深度降解为单体分子。基于此，课题采用硬模板法和后处理法可控制备多级孔碳材料和多级孔分子筛，将活性金属Ni负载到孔道内部，优化合成方法，可控制备和木质素分子尺寸相匹配的多级孔催化剂；分析木质素分子在多级孔催化剂中的反应历程，研究木质素分子和碎片分子在不同尺寸孔道中的扩散和反应过程；通过对比多级孔碳材料和多级孔分子筛，揭示孔道性质和活性金属对木质素降解的影响机制；深入研究多级孔催化剂的稳定性和失活过程，提高多级孔催化剂稳定性以适用于工业应用。研究结果将为木质素高效资源化利用技术的进一步发展提供一定的科学理论基础。

木质素是重要的可再生芳烃资源，根据木质素降解过程中分子尺寸的多尺度变化，设计既能满足大分子进入孔道、又能提供足够活性位点的多级孔催化剂是解决木质素高效转化的关键。本项目围绕木质素分子在多级孔道中反应特性和多级孔催化剂与木质素降解构效关系的科学问题，开展了系统研究。主要研究内容包括：. 1）采用双模板法可控制备分别具有微孔、介孔和大孔碳基催化剂；2）通过表面浸渍和可控还原将碳化钼活性组分装载到孔道结构，研究催化剂孔道结构和活性组分对木质素转化的影响规律；3）研究木质素降解的反应过程与催化剂稳定性，提出孔道结构与反应过程的量化关系。. 取得的重要结果包括：. 1）木质素在微孔、介孔、大孔结构催化剂上的转化规律显著不同。在较大的孔道内，木质素碎片分子更容易降解为含氧芳香单体；在微孔中，木质素转化较难，但含氧芳香单体容易进一步加氢转化为芳香烃，符合木质素降解过程的分子尺寸变化规律。碳化钼活性组分可以在介孔中高度分散，其限域效应促进木质素碎片分子高效降解；大孔由于其大的孔体积，更有利于催化活性组分的高效分散以及木质素分子与催化剂的接触。. 2）还原调控与碱性位助力碳化钼活性位点的催化性能提升。采用控制还原气氛和还原温度，可以制备不同晶型的碳化钼催化剂，具有alfa和beta混合晶型的碳化钼具有更高的活性；碱催化的乙醇的转移加氢过程是木质素降解的重要特征之一，碱的存在可以显著提高C-C键断裂活性。. 3） 双模板法构筑多级孔催化剂及其与木质素降解的构效关系。多级孔碳载体可以提高木质素碎片对碳化钼活性组分的可接近性，显著的提高木质素的降解效率，提高芳香单体收率。基于盐模板和硬模板法调控载体的介孔尺寸，在控制碳材料化学性质一致的条件下，孔径在10nm附近的催化剂具有最高的活性，该孔道尺寸能够充分兼顾木质素碎片分子的扩散和载体比表面积。. 项目资助期内，在国际知名学术刊物上发表21808148项目号第一标注（项目申请人为通讯或第一作者）的SCI论文5篇、其他论文2篇，授权专利1项，培养研究生1名。. 科学意义。本项目通过催化剂孔道结构的调控，揭示了木质素分子降解过程与孔道结构的关系，并量化了孔道尺寸与转化效率的关系，得到了高活性、高稳定性的多级孔催化剂，实现木质素的高效转化。研究结果将为木质素资源化利用提供一定的科学理论基础。