生物油低温加氢-催化裂解制取烯烃和芳香烃的机理研究

利用可再生的生物质资源替代日益枯竭的化石资源制取大宗化学品势在必行。本课题针对快速热解的生物油价值低、应用范围窄，以及常规生物油提质方法存在的催化剂失活快和升级油产率低的不足，在前期研究的基础上，提出了温和低温加氢（<125 ℃，<5MPa），产物再进行催化裂解制备气态烯烃和液态芳香烃的新思路。低温加氢是将生物油中不稳定的含氧组份定向转化为醇类和饱和呋喃环类化合物，这部分工作已基本完成，目标产物收率可达85％以上。为进一步提升产品价值，加氢生物油(LTH-BO)在沸石类催化剂的作用下催化裂解，高效稳定地转化为气态烯烃和液态芳香烃。围绕LTH-BO的催化裂解，重点研究沸石类催化剂的催化活性中心- - 碳氢池的形成与反应机理；优化碳氢池的形成条件，提高目标产物产率和选择性；研究负载型催化剂中金属活性位与碳氢池协同作用机制等。通过研究，基本形成生物油低温加氢- - 沸石催化制取烯烃和芳香烃理论基础。

能源短缺和环境问题促使人类寻求替代的可再生能源。在众多新能源技术中，生物质催化热解制备化学品技术具有良好发展前景。本课题针对生物油催化转化中催化剂易失活、化学品产率低等问题，研究沸石催化剂活性中心—碳氢池形成与作用机理；优化碳氢池形成条件，提高目标产物产率和选择性；研究负载型催化剂金属活性位与碳氢池协同作用机制。在碳氢池形成和作用机理方面，研究生物油模化物催化转化中官能团对催化特性的影响。探索出催化剂碳氢池组分，并对其作用途径进行量子力学计算。发现原料的有效氢碳比是影响其催化制备烃类化合物能力的本质因素，该部分成果发表在影响因子（IF）为11.65的Energy Environ Sci期刊。在碳氢池优化方面，提出生物油选择性催化加氢—沸石催化新方法，烃类化合物总产率是传统工艺的2~3倍，该部分成果和国外学者联合发表在IF为31.20的Science期刊。采用生物质与高有效氢碳比原料共催化，创新地引入13C同位素示踪方法研究了碳和氢的转移特性。与其他醇类相比，生物质和甲醇共催化相对二者单独催化热解时烃类化合物产率提高24%，该部分成果以封面文章发表在IF为6.83的Green Chem期刊。从催化剂本体角度，提出化学液相沉积法改性催化剂，积碳量降低了25%。在金属活性位和碳氢池协同机制方面，基于碳氢池理论，筛选发现廉价金属Fe金属位和碳氢池存在明显协同作用，以上成果已被IF为2.85的Energy Fuels期刊录用。提出实现生物质催化热解、热量自给和催化剂再生的内循环串行流化床反应器，并在该反应器中对稻杆和具有高有效氢碳比的废弃油脂进行共催化热解研究，该部分成果已发表于IF为4.75的Bioresour Technol等期刊。本项目阐明了生物油在催化剂上催化活性中心—碳氢池形成和催化机理。掌握了如何通过调控碳氢池形成条件获得高产率烃类化合物的方法，揭示了金属活性位与碳氢池协同作用机理。本课题严格按照任务计划书研究内容要点执行。. 本课题执行期间取得以下主要成果：共发表论文23篇，其中SCI收录或源刊论文18篇，3篇SCI论文发表在IF为6以上的期刊，7篇SCI论文发表在IF为4以上的期刊，累计影响因子为95.92，平均影响因子为5.33，总引用次数为236；发表EI收录论文5篇，申请国家专利8项；共计4人次应邀参加国内外高层次学术会议并做大会邀请报告。