高浓度纤维素定向转化铜基碱性催化剂的理性设计和可控制备

Catalytic conversion of cellulose to high value-added polyols is one of the efficient ways for biomass application. Based on the low starting concentration, easy coking and low product yield in the conversion of celluose, this project designs high efficient Cu-based alkaline catalysts for selective conversion of highly concentrated cellulose. Firstly, the metal organic precursors and Mg-Al complexes support are controlled synthesized. Then the Cu-based catalysts with high dispersity and hydrothermal stability are prepared by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Metal Re and W etc. are employed for adjusting the composition of active phases. By optimizing the preparation parameters, the active phases and base sites on these supports are regulated to control their concentration and location in order to enhance the activity of catalysts in the selective conversion. Finally, in situ techniques are adopted for the tracking of reaction processes to obtain reaction mechanisms; Monte Carlo is employed for simulated calculation, the formation mechanism and structure variation of catalysts are investigated; and the catalyst structure-activity relationship is established.

纤维素催化转化制小分子高附加值多元醇是提高生物质资源利用的有效途径之一。本项目针对纤维素使用浓度低、转化过程易结焦及产品收率低的问题，设计并制备高效的Cu基碱性催化剂，实现绿色高效高选择地转化高浓度纤维素。通过控制金属有机前体的合成，以及Mg-Al复合碱载体的合成，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法制备出高分散的、高水热稳定的Cu基碱性催化剂。选用Re，W等金属调变Cu基催化剂活性组成，并优化制备参数，调节催化剂活性分布，碱强度、分布及与金属活性位的匹配程度，提高纤维素转化效率并实现定向转化。结合催化剂结构性质表征，采用Monte Carlo理论进行模拟计算，探索催化剂形成机制和结构变化规律，并建立催化剂本征结构与催化性能的内在联系，通过原位技术检测分析中间产物的转化过程，揭示固体碱在纤维素转化中的作用机制。

由于化石资源如原油，煤炭以及天然气的日益枯竭，全球能源危机问题已经引起了广泛的关注。于是为保障世界能源需求而寻求新的替代物成为人类共同的话题。生物质因具可再生性且资源丰富而成为化石资源的最佳替代品。纤维素作为一种重要的生物质资源，将其转化为高附加值的化学品和燃料已经成为能源领域研究热点之一。..针对纤维素使用浓度低、转化过程易结焦及产品收率低的问题，本项目设计并制备高效的CuMgAl碱性催化剂，实现了高浓度纤维素的有效转化，最高浓度可达18wt%，替代了无机碱的加入。为更好的构建催化剂结构与性能间的规律，采用MOCVD法将Cu沉积在水合的MgAl载体上，解决了催化剂反应前后结构变化的问题。鉴于纤维素反应的复杂性以及固体碱作用机制的未知性，选用典型模型分子，如葡萄糖，肉桂醛，苯乙炔，研究了固体碱在氢转移及选择加氢中的作用机理，加深了对固体碱催化转化生物质的理解。项目执行中共发表论文5篇，申请专利1项，合作培养研究生2名。