固体酸催化木质纤维素水解的作用机制与构效关系研究

木质纤维素是自然界产量最大的生物能源物质，具有稳定的晶态结构，传统生物及化学降解方法存在降解效率低，腐蚀设备，废酸液污染环境等弊端。本课题拟选用具有不同纤维素聚合度和含量的纤维素源（芒草、水稻秸秆和玉米秸秆等），以3-烷基咪唑氯型离子液体为介质，几种不同类型的固体酸（磺酸树脂、酸性粘土、二氧化硅固载的含氟固体有机酸等）代替传统液体无机酸为催化剂，研究在较温和条件下实现木质纤维素水解、转化、分离的优化方案，对不同固体酸的结构（结构/织构、酸强度、酸负载量、亲疏水特性、多官能团的相互作用等）与纤维素水解转化率之间的相关性进行研究，应用计算机辅助技术进行分析，建立2D-QSAR理论计算模型，优化固体酸结构，寻求能高效催化纤维素水解的新型固体酸催化剂；同时对影响纤维素水解效率的动力学参数进行优化分析，建立系统的动力学模型，为绿色化途径水解纤维素的实现提供理论依据和技术参数，建立纤维素水解的新方法。

固体酸的设计与合成工作，主要针对水相反应体系的要求，提高固体酸的耐热及耐水稳定性。全氟烷基磺酰亚胺基团具强酸性及良好（水）热稳定性，将其通过共价键固载到具有不同性质特点的多孔性载体上，包括亲水性硅、疏水性聚苯二乙烯，以及多层核-壳结构的磁性载体等；同时也制备了Lewis/ Brønsted双负载固体酸，考察其在水相中的协同催化能力。固体Brønsted酸在水相能顺利催化糖苷键裂解，固体Lewis/Brønsted双酸在水体系中协同催化糖连续转化。在合成方法上，提供了一类简便合成含氟有机高分子酸性介孔材料的方法。此外，应用固体酸在离子液体中催化纤维素水解，也具备循环回收能力，纤维素转化完全；结合球磨法在水相中催化纤维素水解，磁性固体酸可更方便回收，机械稳定性则有待改善。分析表明，固体酸的整体疏水性大大有利于提高耐水热性能和可循环回收性，但也会减缓糖的转化。磺酰亚胺类酸性离子液体也被设计并用于催化纤维素降解。固体酸也应用于其他含水体系有机化学反应。课题对于纤维素水解综合利用，及绿色可持续能源的研究，提供了新的催化体系。