基于螺旋电纺的规整性碳纳米纤维负载金属氧化物微晶催化剂的制备及其对木质素制备酚类的选择性催化

It is a promising method to produce phenol and other high value-added chemicals from lignin. However, a few of flaws could not be avoided when precious metal is used as catalyst such as high cost, difficult recovery, low catalytic efficiency and poor specificity. These metal oxide catalysts, prepared through needless electrospinning method with nanometer-size microscopic structure, have great catalytic activity and selectivity.. The aim of this study is to prepare monolithic carbon nanofiber supported metallic oxide microcrystal catalyst by spiral-electrospinning and investigate its catalytic properties for the preparation of phenols from lignin by deoxy-liquefaction. Considering the independent structure of polymer nanofiber, the metal-ions aggregate to form microcrystals in nanofibers, whereby the distribution and structure are controllable. The interaction at microscopic level between catalyst and lignin molecule can increase catalytic activity and catalytic selectivity. The formation mechanism of monolithic carbon nanofiber supported metallic oxide microcrystal will be studied. The influence of the distribution and structure of microcrystal will be also envisaged on charge transfer, bond-breaking and formation of radicals during deoxy-liquefaction. The obtainment of monolithic supported catalyst using for the preparation of phenols from lignin could be able to achieve high catalytic activity and high catalytic selectivity. Prospectively, this project will promote the applications of electrospinning in catalysis research field, and it will be significant for production of value-added chemicals from biomass that need solving urgently in China.

利用木质素生产苯酚等高附加值化学品极具有广阔发展前景，常用的贵金属催化剂具有成本高、回收难、催化效率低、专一性差的缺点。使用静电纺丝法制备金属氧化物的结构型催化剂具有纳米级别的微观结构，能大幅度地提高催化剂的活性和选择性。.本项目旨在利用高效螺旋无针静电纺丝技术制备碳纳米纤维负载金属氧化物微晶催化剂材料，研究其在木质素脱氧液化制备酚类中的催化性能。我们将利用纳米纤维在微观层面的个体独立性特点，实现对金属离子的可控团聚，获得分布均匀、结构可控的金属氧化物纳米微晶，进而增加木质素分子与催化剂特定晶面的作用概率，提高催化活性和选择性。并研究规整性结构型微晶的形成机理，研究微晶的分布、结构对反应体系中电子转移、化学键断裂、自由基生成的影响机理，最终筛选出用于木质素制备酚类的高活性、高选择性催化剂。本课题有望拓展无针静电纺丝技术在催化领域的应用范围，以期对我国亟待发展的生物质高值化研究有所促进。

随着化石能源的日益枯竭，生物质作为再生能源中唯一可以实现气、液、固三相转换的物质，受到了人们的广泛关注，利用生物质这一可再生资源转化为高附加值化学品逐渐成为近年来研究的热点。木质素，作为生物质的重要组成成分之一，可经定向催化制备苯酚、烷基苯酚等高附加值化学品。而常规的定向催化剂多采用贵金属催化剂，具有成本高、回收难、催化效率低、选择性差的缺点。采用静电纺丝制备金属氧化物的结构型催化剂具有纳米级别的微观结构，能大幅度提高催化剂的活性和选择性。.本项目采用高效螺旋无针静电纺丝技术，与可控焙烧协同，制备碳纳米纤维负载的金属氧化物微晶催化剂材料；制备过渡金属氧化物纳米晶线催化剂材料，进而研究催化剂在木质素定向催化制备酚类的催化性能（酚类的最高产率≥67mol%），研究催化剂在半纤维素、纤维素定向催化制备烷烃、芳烃的催化性能，研究催化剂在废弃橡胶、废弃织物热解催化过程中的脱硫脱氮性能，研究催化剂在生物质裂解催化综合应用中的作用（烃含量≥56.24%，氧含量≤1.8%，热值≥45.52MJ/kg）。项目利用纳米纤维在微观层面上个体独立性的特点，实现对过渡金属离子的微区域可控聚合，获得分布均匀、结构可控、形貌多样的金属氧化物纳米微晶，从而增加反应物分子与催化剂特定晶面的作用概率，提高了催化剂的活性和选择性。通过对规整性结构型纳米微晶的形成机理研究，分析微晶分布、结构对反应体系中电子转移，化学键断裂、自由基生成的影响；通过研究产物的统计性分布，结合量子化学计算，研究产物生成的具体路径；最终筛选出可用于木质素高效制备酚类的高活性、高选择性催化剂，筛选出可用于生物质定向制备烷烃、芳烃、废弃橡胶高效脱硫、废弃织物高效脱氮的优质催化剂。以期拓展无针静电纺丝在催化领域的应用范围，进而推进农林废弃物、生活废弃物的高效利用。