生物质甲壳基催化剂的构建及其催化合成液态生物燃料的性能研究

以独特的视角利用来源广泛、价格低廉的虾壳等生物质甲壳作为催化剂基体材料，针对其天然结构和有机/无机复合成分特征，设计不完全碳化、化学改性剂浸渍以及在特定温度下功能化的构建策略，制备符合生物质转化为液态生物燃料过程需要的固体催化剂。研究不完全碳化温度对甲壳基复合材料结构和成分的调控作用、不同化学改性剂与复合材料的有机/无机成分的可能反应、功能化温度与催化剂性能的关系；催化剂结构与性能的表征；使用条件对催化剂性能的影响。综合分析制备与使用条件、催化剂结构和催化性能之间的关系，探索在生物质甲壳基复合材料上催化活性位的形成机制、组成、结构以及在催化合成液态生物燃料过程中的变化规律，阐明催化剂的活性、稳定性和选择性的化学原理。建立生物质甲壳基催化剂合成新方法，获得一类结构、成分可控的高性能、廉价和环境友好的催化剂。研究结果将对资源综合利用、能源可持续发展及生态环境保护都具有重要的理论和实际意义。

有效利用生物质资源，将有利于减少人类活动对生态环境的影响，对人类可持续发展具有重要意义。为此，课题研究的中心内容是利用生物质甲壳基催化剂催化生物质转化为液态生物燃料，其主要目标是使生物质转化为液态生物燃料变得更有效、更经济和更加环境友好。.首先针对生物甲壳的天然成分和结构特征，设计了（不完全碳化-KF溶液浸渍-在一定温度下活化）构建生物质甲壳基催化剂的策略，通过催化植物油合成生物柴油评价其催化活性，稳定性和选择性。确定了制备条件与性能的关系，获得了催化活性高、选择性好和可以重复使用的生物柴油催化剂。合成机理是，不完全碳化，使得甲壳内的有机分子部分解离和蒸发，形成多孔的有机/无机复合物框架结构，化学改性剂KF在活化过程中与生物甲壳中的CaCO3反应生成KCaF3新晶相。研究发现催化剂的活性主要来源于新晶相KCaF3的出现，同时生物甲壳中的有机/无机成分有利于对反应物的吸附提高了催化活性。由于催化活性位点KCaF3晶相有较弱的碱性，没有皂化产生，使催化剂具有较好的选择性。生物甲壳牢固的框架结构，使生物质基催化剂具有好的热稳定性和化学稳定性。.接着，在水和二氯乙烷双相反应介质中，以ZnCl2/LiCl混合物作为催化剂，催化纤维素转化为糠醛类衍生物，产物的得率和选择性是文献报道的LiCl催化剂的1.5倍。添加ZnCl2到催化体系中，能够加快5-羟甲基糠醛（HMF）转化为亲油性更强的5-氯甲基糠醛(CMF)，易于进入有机相，提高了产物得率。利用生物质甲壳基催化剂催化糠醛与丙酮缩合反应制备液态生物燃料前驱物二亚糠基丙酮，当催化剂用量为3.2wt.%，反应温度为75℃、糠醛与丙酮的摩尔比为1:5时，在1h之内，糠醛的转化率可达100%，产品的得率大于80%。研究结果表明，催化剂的活性位点依然是KCaF3。.最后，利用Ag3PO4/SnO2/动物骨骼复合物为催化剂，在可见光驱动下使木质素衍生物—木质素磺酸钠转化为低分子量的脂肪酸。产物分析表明，木质素磺酸钠分子被部分解聚，它的苯环被氧化为脂肪酸。催化剂合成机理表明，催化剂的活性成分是Ag3PO4，SnO2和动物骨骼有助于提高催化剂的活性和稳定性。光催化反应机理表明，主要的氧化位点是可见光照射下在磷酸银表面上产生的电子空穴。然而，由于木质素磺酸钠的分子结构复杂，将其光催化氧化产物-脂肪酸，转化为符合标准的液态生物燃料，尚需进一步研究。