基于木质素高效转化为烃类燃料的双功能固体酸催化剂构建

Lignin is mainly obtained as a byproduct from fuel ethanol and pulp industry, with the growing concern over the excessive emission of greenhouse gases and the depleting stocks of fossil fuels, the lignin conversion have became an important part of the renewable energy strategy for the governments attention to the general. Heterogeneous catalysis is an effective and green chemical method for efficient conversion of lignin into hydrocarbon fuels at mild conditions. This project focuses on the two crucial problems in direct conversion of lignin，the selective depolymerization of lignin and hydrodeoxygenation of lignin-derived compounds from degradation. To solving these problems, lignin depolymerization and guaiacol hydrodeoxygenation in an aqueous phase catalyzed by functional mesoporous carbon supported nickel-based catalysts are proposed as model reactions. The influence of preparation method, catalyst surface properties (pore structure, surface area, surface acidity,) and metal composition (nanoparticle structure, metal-support interaction) on the activity and selectivity of the catalytic depolymerization and hydrodeoxygenation will be studied, and the reaction kinetics and mechanism of lignin conversion will also investigated. The achievements from the project will provide valuable references to design catalyst for high efficient conversion of lignin into hydrocarbon fuels under mild conditions.

木质素是燃料乙醇和造纸工业的主要副产物，将木质素高效转化为燃料化学品已成为各国发展可再生能源战略计划的重要组成部分。多相催化是实现木质素在温和条件下高选择性转化为烃类燃料的有效而绿色的途径之一。本项目针对木质素催化转化中的关键问题- - 高选择性降解和含氧功能团加氢脱氧转化，以水相环境中木质素选择性降解和愈创木酚加氢脱氧转化为模型反应，提出构建以酸化生物质介孔碳材料为载体、以镍基双金属为加氢脱氧活性组分的双功能固体酸催化剂。通过系统研究酸化生物质介孔碳材料的制备方法、孔结构、表面性质和酸化生物质介孔碳材料负载的镍基双金属催化剂的化学组成、纳米粒子结构、金属与载体相互作用等因素对降解、加氢反应活性和选择性的影响，并结合反应动力学和反应机理研究，建立催化剂构效关系，为实现温和条件下木质素的直接高效转化提供理论指导。

木质素是燃料乙醇和造纸工业的主要副产物，将木质素高效转化为燃料化学品已成为各国发展可再生能源战略计划的重要组成部分。多相催化是实现木质素在温和条件下高选择性转化为烃类燃料的有效而绿色的途径之一。本项目针对木质素催化转化中的关键问题——高选择性降解和含氧功能团加氢脱氧转化，构建炭材料固体酸负载加氢活性金属催化剂，以水相环境中木质素降解和模型化合物愈创木酚加氢脱氧转化制备烃类燃料为模型反应，较系统地展开从模型化合物到真实木质素的催化转化的研究，建立一种以木质素为原料，经酸-金属双功能催化剂一步催化降解、加氢脱氧制备烷烃的方法。通过对模化物愈创木酚的反应研究，发现钯碳是一种高性能催化愈创木酚加氢脱氧制备烷烃催化剂，其烃类产物收率可达理论值的91%。通过研究固体酸催化木质素水相降解行为，结合催化剂表征，发现具有较大比表面积和适当表面酸性的催化剂能较好的催化木质素水相降解制备低分子量酚类化合物，并制得催化性能良好的直接磺化木质素残渣所得碳材料固体酸催化剂。项目考察了碳材料固体酸负载加氢脱氧活性金属后用于木质素制备烃类燃料的反应性能，发现木质素基碳材料固体酸负载钯金属催化剂能较好的催化木质素转化制备烷烃，在选定的反应条件下，木质素转化率超过90%，烃类产物收率接近20%。项目还在固体酸催化木质素降解研究的基础上，进行了固体碱催化木质纤维素类生物质预处理耦合降解制备化学品研究，发现在较低温度下，钙镁复合氧化物能有效脱除原料木质素组分进而促进酶解；在较高温度下，氧化铈能有效催化木质素降解为单酚类化学品。项目的研究成果为实现木质素高效催化转化制备燃料和酚类化学品提供了基础。项目共发表和接收EI论文3篇，申请专利1项，完成预定计划。