生物质C-O和C-C键精准活化和选择转化的催化基础

The efficient utilization of renewable biomass and abundant coal resources to produce building-block chemicals is of high significance for establishing sustainable new chemical processes. Biomass is composed of monosaccharides and aromatic rings linked by C-O and C-C bonds. The precise cleavage of the key chemical bonds in the two macromolecules is the core and common issue to realize the efficient transformation and utilization of this resource. The catalytic transformation of synthesis gas (syngas) is a core process in the chemical utilization of coal, and how to control the product selectivity is one of the most challenging subjects in the syngas chemistry. This project focuses on the efficient catalytic transformation of syngas and biomass, and the main targets are ethylene and propylene from syngas, adipic acid and lactic acid from cellulose and aromatic compounds such as phenol from lignin. The key scientific issues of the project are the activation, coupling, and cleavage of specific chemical bonds in syngas, cellulose and lignin or their model molecules. Efficient bifunctional catalytic systems will be constructed. Fundamental understanding of the reaction mechanism on a molecular level and the elucidation of nature of active sites will be performed. The project will also utilize the new achievements in photoelectrochemistry, organic chemistry, spectroscopic characterization and synthetic techniques to develop new methods for the C-C bond coupling in syngas and the precise cleavage of C-O and C-C bonds in biomass to form target products. The project will provide scientific bases for the selective synthesis of olefins and bio-based adipic acid, lactic acid and aromatic compounds.

高效利用可再生的生物质资源和丰富的煤炭资源合成大宗化学品对于建立可持续发展的新化学过程具有重大意义。生物质由单糖及芳香环通过特定C-O和C-C键连接而成，精准切断关键化学键是实现其高效转化利用的核心。合成气催化转化是煤化学利用的核心过程，产物选择性的调控是合成气转化的关键。本项目立足于合成气和生物质高效催化转化，以合成气制乙烯、丙烯以及纤维素和木质素制己二酸、乳酸和苯酚等芳香化合物为主攻对象，紧密围绕反应物分子中特定化学键活化、偶联和断裂的关键科学问题，构建高效多功能催化剂体系，并从分子层次上认识产物生成的微观机理，揭示相关催化活性位本质。项目还将利用光电化学、有机化学、谱学表征、化学工程和材料合成等领域的新成果，通过交叉融合，努力发展合成气转化中C-C键偶联和生物质中C-O和C-C键选择性切断的新方法，为低碳烯烃和生物质基己二酸、乳酸、芳香化合物的高选择性合成提供科学基础。

按照项目专家指导组组长包信和院士的要求，项目主攻合成气直接转化制高值化学品，精准控制C-C偶联实现产物的高选择性合成，同时项目兼顾生物质转化。煤基合成气(CO/H2)催化转化是煤炭高效利用的最可行途径之一，而生物质大分子特定的C-O和C-C键的活化和精准切断关键化学键是实现生物质高效转化利用的核心。项目立足于合成气和生物质高效转化，以合成气制乙烯、丙烯和芳烃、乙醇以及生物质转化为主攻对象，紧密围绕反应物分子中特定化学键活化、偶联和断裂的关键科学问题，构建高效多功能催化剂体系，发展合成气转化中C-C键偶联和生物质中C-O和C-C键选择性活化的新方法。.项目执行四年来，取得以下重要研究进展：(1) 发展合成气经甲醇/二甲醚中间体直接高选择性制低碳烯烃和芳烃的新方法和新路线。研制金属氧化物-沸石分子筛新型双功能催化剂，耦合金属氧化物上合成气制甲醇/二甲醚和沸石分子筛上甲醇/二甲醚酸催化择形转化的C-C偶联反应，实现合成气直接制乙烯、丙烯为主的低碳烯烃和芳烃。低碳烯烃和芳烃选择性均达到80%，突破了传统费托合成过程的选择性壁垒。且催化剂显示出良好的稳定性，具有潜在的工业应用前景。(2) 拓展双功能催化剂体系在CO2加氢转化中的应用，实现CO2加氢高选择性制备低碳烯烃和芳烃。低碳烯烃和芳烃的选择性分别达85%和65%。(3) 提出C1化学中接力催化的概念，通过将不同功能的催化剂进行高效组合，首次实现了合成气经二甲醚中间体分别高选择性制乙酸甲酯、乙醇和乙烯等C2+化合物，其中乙酸甲酯选择性超过90%，乙醇选择性超过50%，乙烯选择性达65%。(4) 发展生物质及其平台分子C-O和C-C键活化和选择性转化方法，实现生物质转化制乳酸和苯酚等芳香化合物。(5) 在国际期刊发表研究论文46篇，获授权中国发明专利8项，培养博士后/研究生29名。.项目成果为合成气直接转化提供了新的研究思路，为CO分子C-C偶联的精准调控提供重要指导，也为生物质分子C-O和C-C键活化和选择性断裂提供科学基础。