催化木质素高效定向解聚的关键科学问题

Lignin is a very important renewable and the most abundant aromatic resource on the globe, which has long been considered a promising starting material for the production of value-added biochemicals and high quality biofuel. However, many lignin valorization technologies exhibit low depolymerization efficiency, product yield and selectivity, in addition to significant char formation as a direct result of the complex structure and chemical bonding of lignin. Therefore, efficient and selective processes for lignin depolymerization are considered to be of high importance for realizing the complete conversion of biomass. In this project, we propose a series of novel technologies for highly selective conversion of lignin based on the principle of rational catalyst design. The lignin structure and major chemical bonding modes will be investigated, allowing significant insight into the functionalities required for lignin activation, allowing for the rational design of novel catalysts. Key scientific problems, such as, structural evolution of lignin, activity sequence of structural units and reaction pathway, will be resolved via combinative investigations of lignin structure and chemical bonding, influence of solvent choice, catalyst structure-property-activity relationships and reaction conditions. Furthermore, verification of the findings obtained from real investigations, will be undertaken utilizing model cleavage reactions and molecular simulation. Thus, the results of this work will provide technical reference and theoretical guidance for the rational design of technologies for selective lignin valorization.

木质素是一种非常重要的可再生资源，对木质素进行解聚，有望获得高附加值的单酚类化学品或高品位燃料。木质素的组成与结构非常复杂且分子间的连接键具刚性，解聚过程中，存在目标产物的选择性偏低及部分解聚的寡聚物易于发生重聚等瓶颈问题。因此，实现木质素选择性解聚是当前生物质高值化利用过程需要解决的关键问题。本项目研究首先通过对木质素分子结构和特征化学键合模式进行深入解析，指导系列木质素高效定向解聚的新型催化剂体系的设计；通过系统研究木质素的结构、化学连接键的特性，催化解聚过程中的溶剂效应、催化剂构效关系、反应条件参数等对木质素定向解聚性能的影响机制，结合含特征化学键的木质素模型化合物的解聚性能和计算机辅助模拟手段等，对木质素在催化解聚过程中的结构演变规律、木质素组分的解聚活性序列、反应历程、催化机理等关键科学问题进行阐释，为木质素的选择性解聚等高值化利用过程提供技术借鉴与理论指导。

木质素定向解聚制备高附加值化学品的技术符合“碳达峰、碳中和”战略的需求，是发展替代石油基路线的化学品生产的重要途径。本项目研究基于化工过程耦合与强化的理念，通过对木质素主要结构和主要化学键差异性的解析，设计并构筑了系列木质素转化新策略，实现了木质素高效定向解聚，并阐明了木质素定向转化反应途径和催化机理等关键科学问题。项目所取得的主要研究进展包括：建立机器学习模型，成功筛选出适合于木质素溶解、定向解聚的系列功能化离子液体，并对离子液体的构效关系及其催化转化作用机制进行了系统阐释。同时，基于木质素主要结构和化学键差异，构筑了系列杂多酸功能化离子液体和多级孔材料负载的催化剂体系，可实现催化木质素高效定向转化的目标，首次发展木质素基马来酸二乙酯、对羟基肉桂酸酯等高附加值化学品制备路线，并阐释了催化剂结构和性能调控规律与催化作用机理等。基于化工过程强化与耦合的理念，设计并构建了系列催化、原位酯化转化、微乳液体系等用于催化木质素转化过程的强化新模式；此外，尚发展新型光谱电化学方法结合DFT计算等木质素定向转化机理研究新方法。. 项目执行期间，发表研究论文43篇（其中JCR一区论文27篇，二区论文10篇，IF>10的论文17篇），申请中国/国际发明专利25项（包括3项PCT专利）、授权专利19项（其中包括2项美国发明专利及2项日本发明专利）；3名主要研究成员晋升正高职称，并培养博士后4名（已出站2名），博士研究生12名（已毕业4名）；培养硕士研究生32名（已毕业17名）；项目执行期间，何宏艳研究员获得国家自然科学基金优秀青年项目资助（2019年）、李雪辉教授入选国家百千万人才工程（2019年），有突出贡献中青年专家（2019年），“享受国务院津贴专家”。相关成果在国内外学术会议以特邀报告等形式与同行交流50余次。本项目研究发展的木质素定向剪切机器学习模型、催化木质素定向解聚策略、以及系列新型过程耦合与强化模式等，可为木质素高值化利用提供了理论支撑和技术支持。