新型高效生物质水相加氢催化剂与催化反应体系研究

Hierarchical porous zeolites have played a distinct role in catalytic conversion of macromolecular biomass into valuable platform chemicals and fuels. This project will focus on the controllable synthesis of hierarchical porous zeolite ETS-10 and its catalytic application in biomass aqueous hydrogenation. Both experimental examination and theoretical analysis are used to systematically study the controllable synthesis of hierarchical porous zeolite ETS-10 with various morphologies, and then to design and prepare highly interfacial active hierarchical porous zeolite supported non-noble metal catalysts, to establish a stable micro-bubble reaction system, finally to efficiently convert biomass into valuable platform chemicals and fuels under mild conditions. Taking advantage of hierarchical porous alkaline zeolite during biomass hydrogenation process can greatly reduce the coke formation and hydrogen consumption. The micro-bubble reaction system constructed by the interface-active hierarchical porous zeolite ETS-10 can significantly enlarge the gas-liquid reaction interface, decrease the mass transport resistance and thus lead to an enhanced aqueous hydrogenation efficiency, which proves to be outstanding and unique. Theoretical innovation of this project is to gain a scientific understanding of the controllable synthesis of hierarchical porous alkaline zeolite ETS-10, pore structure, surface properties and active phase formation mechanism, the formation and stabilization of micro-bubble reaction system mechanism, which can offer the theoretical basis for the commercial production and biomass hydrogenation application of hierarchical porous zeolite ETS-10.

多级孔分子筛催化在生物质大分子转化为高附加值化学品过程中发挥着独特作用。本项目提出多级孔ETS-10分子筛负载非贵金属催化剂及其在生物质水相催化加氢反应过程应用研究。采用实验和理论分析相结合的方法，研究形貌和多级孔结构可调的ETS-10可控合成，研制价格低廉且既有高加氢活性又有界面活性的多级孔ETS-10负载非贵金属催化剂，建立稳定的微气泡反应体系，实现环境友好且温和条件下生物质水相高效高选择性催化加氢转化。本项目将碱性多级孔分子筛用于生物质催化加氢反应，能够减少焦炭、减少氢耗和提高活性。本项目制备界面活性催化剂形成微气泡反应体系，扩大气液反应界面和降低传质阻力，提高水相加氢效率，具有鲜明特色。本项目理论创新主要表现在对多级孔ETS-10可控合成、孔结构与表面性质及活性相形成机制、界面活性催化剂稳定微气泡技术以及微气泡催化反应体系等形成科学认识，为生物质绿色加氢转化的工业应用奠定基础。

生物质资源可以作为石油衍生化学品和液体燃料的部分替代原料来解决石化资源枯竭和环境污染等问题。多级孔沸石是在传统微孔沸石晶体中引入介孔而成的多级孔道沸石材料，在生物质大分子催化转化方面有着广泛应用。.本项目采用低成本软模板法直接水热合成了多种不同特征（形貌、孔结构、金属掺杂、酸碱性质等）的高结晶度多级孔ETS-10、SAPO-11沸石，并在此基础上制备负载型非贵金属（Ni、Co、Cu等）高效加氢催化剂，在生物质及其衍生物加氢转化过程中表现出了独特的催化活性和稳定性。项目重点考察了木质素衍生物加氢、纤维素水解加氢、愈疮木酚加氢、软脂酸加氢、甘油加氢、糠醛选择性加氢等典型生物质转化过程，研究了沸石孔结构、酸碱性质、负载金属特征、掺杂金属特征等对各种生物质加氢过程的影响，获得了基础理论认识以及性能较为优异的催化剂实验样品。.此外，还通过对催化剂表面进行部分疏水性修饰，获得具有界面活性的催化剂，并作为起泡剂稳定微气泡，建立稳定的微气泡反应体系，进行生物质水相加氢反应。考察了催化剂颗粒在气-水界面的吸附性能，研究了不同修饰剂不同程度表面疏水性修饰对生物质水相催化加氢性能的影响。结果表明，微气泡体系显著提高了传统三相体系的生物质催化加氢转化性能。.项目研究成果主要表现在多级孔沸石、非贵金属加氢催化剂、生物质加氢转化和微气泡反应体系方面的理论与技术创新，在一定程度上为多级孔沸石和非贵金属加氢工业催化剂的设计和生产提供了理论依据，为生物质绿色催化加氢转化的工业应用提供了可靠指导。项目执行期间，课题组已在Green Chemistry、Chemical Engineering Journal、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Catalysis、Industrial & Engineering Chemistry Research等期刊上发表SCI收录论文27篇，申请国家发明专利5件，授权国家发明专利4件，培养博士研究生3名和硕士研究生5名，圆满完成了原定研究内容以及各项任务指标等。