具溶解与催化双功能复合离子液体中纤维素高效液化过程与机理研究

近一百余年来人类物质文明的快速发展绝大部分是以消耗地球上不可再生资源为代价且给环境带来巨大的压力。为了人类社会的可持续发展，寻找新资源并实现其高效与洁净的利用已经成为当前政府与学术界非常重视的任务与目标。将生物质转化为可被化学工业利用的起始原料，不仅可缓解当前的能源与资源现状，而且符合"低碳经济"的理念。本项目研究拟构建对纤维素具有较好溶解性能及催化液化性能的双功能复合离子液体体系，将溶解于离子液体中的纤维素被酸性离子液体催化液化而实现纤维素的均相催化液化过程。考察复合体系中纤维素的液化行为，获得复合离子液体体系的组成、催化液化工艺与液化产物分布之间的关联规律、液化过程机理并为离子液体体系中纤维素及相关生物质催化液化研究提供借鉴与指导。

生物质的化学品化是其高效利用的重要途径。由于生物质难于溶解常规溶剂，生物质催化液化过程属于非均相过程，液化速率慢、反应条件苛刻。因此，生物质催化液化过程均相化是解决生物质高效转化的关键科学问题。有鉴于此，本项目以微晶纤维素为模型，创新性地提出催化纤维素高效液化过程的溶解-原位催化的思路，围绕项目申请计划书的研究目标与内容，开展的主要工作包括以下四个方面。第一：纤维素溶解-原位催化液化模型构建。结合离子液体对纤维素具有一定溶解能力的特点，本项目根据分子设计的原理，创新性地设计并构建了系列兼具溶解与催化性能的复合离子液体，即溶解-原位催化纤维素高效液化体系。该体系中，部分溶解的纤维素被具有酸性的离子液体原位、快速催化转化，从而打破纤维素在离子液体中的溶解平衡；而转化产物被保护溶剂萃取，也可打破催化平衡，从而可实现在温和条件下纤维素的高效液化。第二：溶解-原位催化液化体系中纤维素转化过程强化与耦合研究。系统研究了溶解-催化耦合过程、催化液化-产物分离耦合等对纤维素转化过程的影响。结果表明，通过调变反应过程因子，可选择性地实现纤维素的高效催化液化，获得高附加值的化学品。第三：溶解-原位催化液化体系中系列农林废弃物的高效液化过程研究。结果表明，离子液体可打破生物质各结构单元（纤维素、半纤维素及木质素）之间的氢键，在溶解与催化转化纤维素及半纤维素的同时，可打破生物质原有的本征结构，不仅为离子液体溶剂、酸催化剂进入生物质内部提供更多的通道与接触界面，从而实现生物质的高效液化。第四：溶解-原位催化液化体系过程机理研究与关联规律研究。将复合离子液体的结构、物化性能、产物分布与选择性进行关联，获得了离子液体结构与其酸性、离子液体对纤维素的溶解性能及催化转化活性之间的构效关系、催化纤维素液化过程动力学行为及催化转化机理。研究期间，发表SCI收录论文6篇，其中一区Top封面论文1篇，EI收录论文1篇，申请国家发明专利3件。同时，尚主办全国性学术会议一次（第二届全国离子液体与绿色过程学术会议，2011年，广州）。综上所述，本项目成功构建纤维素溶解-原位催化液化过程模型，对纤维素转化过程进行耦合与强化，成功解决催化纤维素高效液化过程均相化等关键科学问题。所获得的纤维素高选择性液化过程机理等对于生物质的高效转化过程设计与开发、离子液体的大规模工业应用提供借鉴作用.