基于离子液体的生物质定向转化制高辛烷值汽油应用基础研究

Conversion of biomass into high-octane number gasoline was not realized in traditional processes. In order to overcome this obstacle, it is proposed to produce high-branched saturated C8 alkanes from γ-valerolactone as the bio-based high-octane number gasoline. The cores of the project are to synthesize high selective catalysts. Based on the designability of ionic liquids, mesoporous molecular SiO2/Al2O3 with uniform particle size, suitable acidity and appropriate pore distribution will be prepared by using ionic liquids as the solvent for the decarboxylation of bio-based γ-valerolactone, ionic liquid catalysts with high acidity and activity will be synthesized for the controlled-conversion of oxygenated biomass-derived compounds to high quality gasoline. The project will break through three key scientific issues: 1. structure and property relation and synthesis of ionic liquid catalyst and mesoporous SiO2/Al2O3; 2. relationship between catalyst and biomass derived compound, butene/butane in micro level; 3. mechanism and theory on the high efficient conversion biomass derived compound under mild condition. The project will propose new theory and method as the basis for the efficient conversion of biomass into high-octane number gasoline with ionic liquids.

为了克服传统方法无法将生物质转化为高辛烷值汽油的难题，本项目提出以生物质衍生物γ-戊内酯为原料，通过定向转化制支链化程度高、辛烷值高的C8为主要成分的饱和烃作为高辛烷值汽油。以高效高选择性的催化剂设计合成为核心，基于离子液体的可设计性、在离子液体为溶剂和结构导向剂下，分别合成具有均匀粒度分布和合适孔道的介孔SiO2/Al2O3和具有适宜酸强度和高活性的超强酸性离子液体催化剂，用于生物质含氧衍生物定向催化转化反应过程的研究；突破介孔SiO2/Al2O3和离子液体催化剂多层次构效关系及设计合成，催化剂与生物质衍生物及烯烃/烷烃的微观相互作用，生物质衍生物高效温和转化过程的机理及机制等关键科学问题，形成基于离子液体的生物质转化制高辛烷值汽油新过程的科学基础。

将生物质转化为生物化学品和液体燃料不仅能够弥补化石资源短缺带来的问题，而且有助于保护生态环境，其合理利用对建立高效、可持续的全球能源系统、保障国家能源安全以及减轻大气污染起到积极作用，具有巨大现实和深远的社会意义。项目针对目前生物质转化制备生物汽油中存在的催化效率低、反应温度高、产品分离困难、反应路线长等关键问题，开展了CO2作为“相分离开关”的新型离子液体-有机溶剂双相反应体系中制备5-羟甲基糠醛，以及直接利用生物原料转化合成生物汽油的集成方法和过程研究。本项目的主要成果如下：.（1）采用溶胶凝胶法合成了介孔SiO2/Al2O3催化剂，用于γ-戊内酯脱羰基制丁烯. 采用XRD，BET，Pyridine-FTIR以及SEM方法对催化剂进行了表征，考察了不同反应条件对丁烯生成的影响，同时对γ-戊内酯脱羰基制丁烯的反应机理进行了探讨和验证. 结果表明催化剂SiO2/Al2O3平均吸附孔径为6.8768 nm，BET比表面积为398.4 m2/g，催化剂表面存在Lewis 和Brönsted酸位；在350 ℃，催化剂含量为5%（ω），反应4 h时，γ-戊内酯转化率在99%以上，丁烯最高产率达97%；在催化剂SiO2/Al2O3作用下，γ-戊内酯先开环生成戊烯酸，然后戊烯酸脱羰基得到丁烯和二氧化碳..（2）开发了一种直接由生物质原料转化生成生物汽油的较短路线的新型集成方法，通过水解、催化、聚合、加氢方法获得碳链长度为C5-C15的生物汽油。研究了温和条件下快速构建C-C键的方法，且产品选择性接近100%。在通过加氢脱氧制备生物液体烷烃的最佳反应条件下，生成的烷烃多为C8和C9烷烃，符合高品质生物汽油所需的液体烷烃碳数。