生物质催化转化制备呋喃基化学品和苯酚的研究

The research on the production of high value-added chemicals from biomass has become a hot topic, which can be considered as a promising and improtant process for the ulitization of sustainable energy. In this project,the catalytic conversion of cellulose and lignin to bio-based chemicals with nano materials and solid acids as the catalysts will be investigated in the ionic liquid and supercritical fluids based on the deep understanding of catalytic degradation of cellulose and lignin. Due to the fact that the cellulose molecule contains many hydroxy groups and is easily cyclized, the depolymerization of cellulose and in situ conversion of the intermediate can be successfully performed to the efficient and selective synthesis of 2,5-dimetylfuran and furan-2,5-dicarboxylic acid using nano Ni, Pt, Rh, Au or Mn metals as catalysts. The catalytic conversion of lignin to pehenol using metal complexes and solid acid as catalysts based on the selective cracking of C-O-C and C-C bonds of lignin molecule. In addition, catalytic process will be studied using in situ spectra and dynamic analysis methods; furthermore, the molecular simulation and theoritical calculations are employed so that the reaction mechanism on the degradation of cellulose and lignin can be correctly proposed, which will build a solid foundation for industrial application of biomass conversion.

以生物质为原料生产高附加值化工产品是能源化工领域的研究热点之一，也是实现能源可持续利用的重要途径；本项目通过对纤维素和木质素催化降解过程的深入研究，探究以离子液体或超临界流体为反应介质，以金属纳米材料和固体酸为催化剂催化纤维素和木质素转化合成生物基化学品和的研究；依据纤维素分子羟基多、易环合的结构特点，采用含Ni、Pt、Rh、Au或Mn等单组分或双组分的金属纳米材料为催化剂，实现纤维素的脱聚和原位转化过程协同进行，高效、高选择性地合成2，5-二甲基呋喃和2,5-呋喃二甲酸；依据木质素分子中C-O-C键和C-C键可选择性断裂的特性，采用金属配合物和固体酸为催化剂，实现木质素直接转化合成苯酚；同时，采用原位光谱法和动力学分析法等手段对催化过程跟踪研究，提出纤维素和木质素降解过程的反应机理，并使用分子模拟和理论计算等技术手段进行验证，为生物质能源的工业应用奠定基础.

生物质是自然界唯一的可再生有机碳源，具有储量大、“零”碳排放、可再生等优点。生物质资源可用于替代传统的化石能源（如石油、煤、天然气等）生产液体燃料和精细化学品，这被认为是缓解当前能源危机和控制环境污染的有效途径。然而，传统的燃烧和气化两种利用方式存在资源利用率低、深加工程度不高以及产物收率低的问题，极大限制了生物质资源的开发与利用。本项目致力于生物质中含量最高的纤维素和木质素的资源化利用以及生物基平台化合物的选择性转化研究，开发生物质液相高效转化的方法和催化精炼反应体系，为生物质的利用提供一条有广阔前景的转化路线，对我国经济可持续发展具有重要的战略意义。.整个项目取得多项研究成果，包括：（1）采用机械活化方式预处理生物质，促进纤维素的水解；研究CO2/高温水体系对生物质的水解作用，探究金属盐对CO2水解生物质体系的影响规律，实现生物质的初步水解及生物质组分的分离纯化，开发SO42-/TiO2固体酸催化剂用于纤维素的水解、葡萄糖和呋喃基化学品的合成。（2）开发了用于多糖和单糖选择性转化制备5-羟甲基糠醛的金属锡催化体系、石墨衍生物固体酸和金属氧化物固体酸催化体系；研究了平台化合物糠醛和5-羟甲基糠醛的氧化反应以及定向还原过程，设计开发出碘化亚铜-氮氧自由基催化体系、离子掺杂型氧化锰催化剂、负载型金属钴催化剂和金属镍基催化剂，实现了2-呋喃丙烯醛、2, 5-呋喃二甲醛和2-呋喃甲醇等多种呋喃基化学品的高效绿色合成工艺。（3）采用碳化钼固体催化剂和超临界溶剂体系，首次将木质素完全转化为对、邻二甲苯、单酚等芳香类化学品和己醇、己酸乙酯、苯甲醇等多种重要香料和医药中间体，产物无焦油、焦炭的生成，这是国际上报道的木质素解聚转化的最高收率。研究愈创木酚选择性转化为酚类化合物，探讨C-O键断裂以及愈创木酚转化的反应机理。.在项目执行期内，发表学术论文56篇，授权国际专利1项、国内专利4项，培养博士后、博士和硕士研究生29人。举办三届“能源与环境可持续发展中的催化科学与技术”国际研讨会、第十八届全国催化学术会议以及第十届国际环境催化会议，参会人数累计超过4000人次，深入交流和探讨了生物质转化领域的热点研究课题。此外，组织Catalysis Today、International Journal of Hydrogen Energy等国际学术刊物的十二期特刊。