临氢水热体系纤维素一步高效转化为液体烃燃料的基础研究

Compared to fossil hydrocarbon fuels, biomass hydrocarbon fuels have the characteristics with renewable and sustainable development. During use of biomass hydrocarbon fuels, the environment impact is relatively small. Furthermore, biomass hydrocarbon fuels can supplement fossil hydrocarbon fuels used for high-performance fuels in the transportation. Therefore, it is great significant to develop biomass hydrocarbon fuels from biomass in terms of revolution and strategy of transportation energy. This project focuses on new ways and conversion processes of cellulose transformation to hydrocarbon fuels. For cellulose hydrophilic, highly regular structure and functional characteristics, the acidic hydrothermal systems and metal-acid multifunctional catalysis are performed to couple the hydrogenation-depolymerization of cellulose and hydrodeoxygenation of sugar alcohols to achieve new ways and means on the one-step conversion of.concellulose to C6 alkanes. By design of metal-acid multifunctional catalytic material, the synergistic catalysis from free H+ and actived H can promote the breaking of β-1,4 glycosidic bonds of cellulose and cleavage of C-O bonds of sorbitol. At the same time, to facilitate the dynamic process of sugar alcohol hydrodeoxygenation, the pore structure and surface functionality on the multifunctional catalytic materials will be regulated. By this way, the way of hydrodeoxygenation mechanism is adjusted to reduce the activation energy of hydrodeoxygenation. In this project, the depolymerization and deoxygenation of cellulose are promoted by adjusting of catalytic way and strengthening of kinetic behavior. It provide a theoretical basis for the technologic development of the efficient conversion of lignocellulose to liquid hydrocarbon fuels.

相对化石烃燃料而言，生物质烃燃料具有可再生性和可持续性发展的特点，使用过程对环境的影响相对较小，可以补充化石烃燃料用于交通用的高性能燃油。因此，发展生物质路线制取烃燃料具有很大的能源变革意义与战略意义。本项目主要研究纤维素一步转化为液体烃燃料的新途径及过程。针对纤维素亲水、结构高度规律性及功能性的特点，提出在酸性水热体系中采用金属-酸多功能催化，耦合纤维素解聚和糖醇加氢脱氧两个过程实现纤维素一步转化为C6烷烃的新途径和方法。设计的金属-酸多功能催化材料，可通过自由H+与活性H的协同作用来促进β-1,4糖苷键的断裂和山梨醇的C-O键断裂，同时通过催化材料的孔道结构与表面功能性的设计来促进糖醇加氢脱氧过程的动力学行为，调控山梨醇的加氢脱氧途径来降低反应活化能。从催化作用方式及动力学行为上促进纤维素的解聚与脱氧，为木质纤维素高效转化为液体烃燃料的技术及发展提供理论基础。

相对传统石化燃料而言，生物质液体燃料具有低碳属性和可再生性的特点，使用过程对环境的影响相对较小，可以作为传统动力燃料的补充，用于内燃机的高性能燃油。因此，研究生物质路线制取液体燃料对于交通领域的低碳燃料发展具有重要意义。.本项目研究了金属-酸催化剂在临氢水热环境下催化纤维素及其衍生物转化为C5/C6烷烃和醇醚燃料的反应过程和催化剂性能。研究了无机酸、固体酸与金属Ru、Ni和Ir等催化剂协同催化纤维素及其衍生物的水解、氢解及脱氧过程，实现C5/C6烷烃、2-丁醇、2-甲基四氢呋喃的生成。考察了催化剂对玉米秸秆等天然生物质一锅法制备液体烃燃料的催化性能。.对于纤维素的转化，Ru/C催化剂耦合层状化合物LiNbMoO6和磷酸的催化过程、己烷产率达72%，中间产物异山梨醇的活化是该过程的决速步骤。当玉米秸秆为原料，C5/C6烷烃产率可达82.6%。Ir-WOx/SiO2耦合HZSM-5的催化过程，纤维素转化为C5/C6烷烃的产率达92.8%。对于纤维素衍生物乙酰丙酸的转化，NiMn/γ-Al2O3和NiCo/γ-Al2O3催化剂中得Mn和Co助剂决定了乙酰丙酸选择性加氢脱氧的产物。其中Ni3.75Mn15/γ-Al2O3催化剂上可获得85.4%的2-丁醇产、Ni5Co25/γ-Al2O3催化剂上可获得73.4%的2-甲基四氢呋喃产率。催化剂表征结果表明催化剂具有较强的路易斯酸性是乙酰丙酸高选择性脱氧生成2-丁醇的关键原因。不同的NiCo比例使催化剂表面具有不同电子价态的金属和酸性，导致了2-甲基四氢呋喃的生成。.本项目在临氢水热转化方法和金属-酸耦合催化剂方面的研究成果，为生物质催化转化制备醇、醚、烃液体燃料提供了一条新的催化途径，为生物质制备低碳液体燃料的催化剂研制提供了基础理论认识，有利于促进未来可再生液体燃料技术的发展。