纳米孔内纤维素水解拟酶催化剂的构建

Cellulose is the most abundant source of biomass. The crucial step in the production of biofuels and various value-added chemicals from biomass is the hydrolysis of cellulose to fermentable sugars. In this proposal, we demonstrate how to design and construct cellulase-mimetic catalysts in nanopores at a molecular level by tuning the surface groups and pore structures of the ordered mesoporous carbons. The catalysts will be characterized by modern physical and chemical techniques, and the activities, selectivities and stabilities of the catalysts will be investigated. Furthermore, the promoting functions of the cellulose-binding groups, the synergetic effect between the active functional groups and their neighboring groups and the spatial structures of the active centers will be clarified. Through this research project we will be able to correlate the structure of catalysts with their performances, and to provide insightful understanding of the catalytic hydrolysis of cellulose. Thus, the obtained results will guide researchers to develop highly efficient enzyme-mimic catalysts.

纤维素是生物质中最为丰富的资源。纤维素水解为可发酵糖的反应是从生物质出发生产生物燃料和各种高附加值化学品的一个关键步骤。本项目首次提出通过分子层面设计，调变有序介孔炭的表面官能团和孔结构，在纳米孔内设计和构建纤维素水解拟酶催化剂。借助各种现代物理和化学方法对催化剂的结构进行表征，并考察这些催化剂的活性、选择性与稳定性，阐明(1)炭材料表面的纤维素结合官能团种类，(2)活性中心官能团和邻近辅助官能团之间的协同作用，以及(3)催化活性中心空间结构,对反应的活性影响机制。通过本研究项目，建立催化剂结构和纤维素水解活性之间的关系，为设计高效的纤维素水解拟酶催化剂奠定科学基础。

纤维素是由葡萄糖单元构成的高分子，是自然界中分布最广泛的非食用生物质资源，如何有效地利用和转化纤维素对于解决我国目前面临的能源和环境问题具有重大的现实意义。纤维素水解为可发酵糖的反应是从生物质出发生产生物燃料和各种高附加值化学品的一个关键步骤。因此，本项目工作主要围绕通过分子层面设计，调变有序介孔炭的表面官能团和孔结构，在纳米孔内设计和构建纤维素水解拟酶催化剂。利用介孔SiO2分子筛作为硬模板合成出具有不同孔径和孔对称性的有序介孔炭材料，这些材料均具有高比表面积和均一的孔径。采用接枝法在有序介孔炭基体上嫁接羧基、酚羟基和磺酸基等酸性官能团，随着嫁接基团酸性的增加，催化剂对纤维二糖催化水解的活性提高。在活性中心官能团周围增加邻近辅助官能团，催化剂反应活性得到提高。不同孔径和孔对称性的有序介孔炭材料中，具有三维双连续结构的CMK-8对纤维二糖的吸附性能最高，同时对纤维二糖和纤维素具有最高的催化水解活性。提高水解温度，纤维二糖的转化率大幅度增加至96.95%，葡萄糖的产率提高，选择性有所降低。通过本项目工作，建立了催化剂结构和纤维素水解活性之间的关系，为设计高效的纤维素水解拟酶催化剂奠定了科学基础。