生物质衍生物高效利用催化剂的设计与制备

The preparation of fuels, industrial chemicals and fine chemicals from non-edible biomass (lumber/forest reject and so on), also called bio-refining is one method to effectively use the biomass resources and alleviate the dependence on fossil resources. In these processes, furfural and HMF are considered as important platform molecules, so their catalytic preparation and conversion are important. The furfural and HMF cab be produced by acid catalyzed dehydration of carbohydrate. As the platform molecules, they can be converted to fuels by condensation, and following hydrogenation;and converted to industrial chemicals or fine chemicals by selective reduction. The production of furfural /HMF cannot leave highly effective and water-tolerant solid acid catalyst; its use cannot leave the precious metal/solid acid or precious metal/solid base bifunctional catalysts. By designing a new kind of Nb-based catalyst which is water-tolerent and has tunable Br?nsted acid/Lewis acid, the preparation of furfural/HMF from xylose/glucose in aqueous solution is possible, and furthermore, this kind of acid also has oxidation-reduction property and can be cooperated with novel metals and convert furfural or HMF to target product directly (liquid fuels).

从不可食用生物质（木材/森林废弃物等等）出发制备液态燃料、化工原料和精细有机化学品，也称生物精炼，是有效利用生物质资源，缓解对化石资源依赖的重要手段之一。在生物质的高值、资源化利用中，糠醛和5-羟甲基糠醛(HMF)被认为是重要的生物质平台分子，其催化转化制备及催化转化利用非常重要。糠醛及HMF可以通过酸催化糖类的脱水制得。其作为平台分子又可以通过缩合、加氢脱氧来制备长链烷烃；通过选择性还原或氧化制备化工原料或精细化学品。糠醛/HMF的制备离不开高效、抗水固体酸催化剂的开发；而其利用离不开贵金属/固体酸，贵金属/固体碱双功能催化剂的开发。通过新的抗水性、同时具有可调的L酸和B酸位的铌类催化剂的设计与开发有望在水相中实现木糖/葡萄糖的催化转化制糠醛/HMF；且该催化剂具有氧化还原位与不同的贵金属协同作用则可能在温和条件下从糠醛或HMF出发高选择性地得到液态燃料(长链烷烃，甲基呋喃等)。

从不可食用生物质（木材/森林废弃物等等）出发制备液态燃料、化工原料和精细有机化学品，也称生物精炼，是有效利用生物质资源，缓解对化石资源依赖的重要手段之一。在生物质的高值、资源化利用中，糠醛和5-羟甲基糠醛(HMF)被认为是重要的生物质平台分子，其催化转化制备及催化转化利用非常重要。为此我们设计制备了系列Nb基固体酸催化剂，硅铝复合氧化物催化剂，进行了葡萄糖、纤维素到HMF的转化的研究，发现Nb基催化剂具有可调的酸量和B/L比例，是一种优异的抗水固体酸催化剂，所制备的Nb/C复合催化剂具有非常高活性和稳定性，在纤维素的转化中具有优异的活性。另外重要的是在葡萄糖的转化中总伴随着大量副产物，胡敏素的生成，我们理清了葡萄糖转化中L酸，B酸的作用，发现弱的L酸比例越高，HMF的选择性越高，胡敏素的选择性越低，为纤维素，葡萄糖催化转化催化剂的设计提供了理论依据。通过贵金属，非贵金属催化剂的设计制备实现了HMF到呋喃二甲酸及2,5-二甲基呋喃的高效转化；同时开展了生物质及其衍生物在Pt,Pd/NbOPO4多功能催化剂上的高效转化，发现NbOx组分在C-O键的活化，断裂中发挥了重要的作用，以原生生物质为原料，首次不经过预处理直接实现了烷烃的高效转化。