基于热解木质素的微波辅助催化解聚及调控单酚类产物研究

Pyrolytic lignin, existed in bio-oil from the biomass fast pyrolysis, is derived from the degradation of lignin and the polymerization of the monophenols. It has the potential to be converted into high-valued monophenols due to its rich phenolic hydroxyl groups and low degree of polymerization. However, pyrolytic lignin is difficult to be further degraded because of its higher content of the condensed aromatic structures than that of original lignin. In this project, we will develop a new strategy to convert pyrolytic lignin into high-valued monophenols by using a tandem catalytic system with microwave assistance. The metal supported catalysts with the catalyst carrier of core-shell SiC@C will be developed. The effects of yield and compounds distribution of microwave-assisted catalytic pyrolysis for pyrolytic lignin will be examined. The reaction mechanism and pathways of the formation of monophenols will be clarified with the model compounds. The oriented regulation mechanism of microwave-assisted catalytic pyrolysis for monophenols will be revealed. The research results will provide theoretical and technical supports for the efficient conversion of pyrolytic lignin into monophenols, and have a great significance to improve the multilevel utilization of bio-oil.

热解木质素存在于木质生物质热解油中，是木质素降解过程中产生的低聚物及小分子酚类重新缩合生成的多聚酚，由于其富含酚羟基且聚合度较低，具有可控转化为高价值单酚类化合物的潜力。然而，热解木质素相比原本木质素含较多缩合型芳香环结构，导致其在常规热裂解环境中难以进一步解聚，且极易缩聚成炭。因此，本项目以落叶松热解油中分离出的热解木质素为研究对象，在明晰其结构特性的基础上，通过微波辅助催化解聚方式实现热解木质素的充分降解和高效转化。开发高吸波性能核壳式SiC@C负载型催化剂，考察热解木质素微波辅助催化解聚特性及对单酚类产物转化率和组分分布的影响，建立微波辅助催化-两级耦合解聚体系，并借助模型物阐明热解木质素转化为单酚类化合物的反应机理，揭示热解木质素微波辅助催化解聚制备单酚类化合物的定向调控机制。项目研究将为热解木质素高效转化为单酚类化合物提供理论和技术支撑，对于提高热解油的分级利用价值具有重要意义。

热解木质素存在于木质生物质热解油中，是木质素降解过程中产生的低聚物及小分子酚类重新缩合生成的多聚酚，由于其富含酚羟基且聚合度较低，具有可控转化为高价值单酚类化合物的潜力。然而，热解木质素相比原本木质素含较多缩合型芳香环结构，导致其在常规热裂解环境中难以进一步解聚，且极易缩聚成炭。本项目提出了通过微波辅助催化解聚方式来实现热解木质素的充分降解和高效转化。针对传统催化剂如炭基负载型、沸石类等催化剂在微波体系中适应性差、易产生“热点”现象等问题，本项目基于商业化成熟的微波吸收介质SiC，开发出了一种兼具“吸波强化传热”和“催化高效解聚”的Pt/CDC-SiC催化剂。针对热解木质素在传统热裂解过程中易缩合成炭等问题，本项目通过微波辅助催化-两级耦合解聚路径和规律的揭示，实现了热解木质素在微波体系中的高效转化。本项目获得的主要结论：（1）木质素C-C键模型物在Pt/CDC-SiC催化剂作用下进行微波辅助催化解聚，产物选择性达到85.0%，单体产率达到49.3 wt%，催化剂的加入对提高单酚类产物的含量具有显著作用。（2）建立了多种微波吸收介质的微波吸收能力与木质素微波辅助解聚反应产物得率和组分分布之间的关系，发现了MoS2微波吸收介质能够显著促进木质素的微波辅助解聚，获得的单酚类产物产率高达32.1wt%。（3）发现了反应气氛对微波辅助解聚过程及产物分布具有显著影响，尤其是发现二氯甲烷作为反应气氛能够显著提高木质素解聚单酚类化合物的产率（26.8 wt%），同时能够协同获得高比表面积的纳米碳球（36.6 wt%）。项目研究获得了热解木质素微波辅助催化解聚制备单酚类化合物的定向调控机制和方法，能够为热解木质素高效转化为单酚类化合物提供理论和技术支撑，对于提高热解油的分级利用价值具有重要意义。