低阶煤制备金属/碳基载体催化剂及其催化生物质转化研究

Lignite, as a typical low rank coal, has a large reserve in China. The direct use of lignite as energy materials suffers the disadvantages of low efficiency and severe pollution. While lignite is also a potential source of functional carbon-based catalyst supports due to the high contents of the inherent oxygen-containing groups, carbon skeleton and pore structures. On the other hand, catalytic conversion is an important route for the utilization of biomass, and the preparation of highly efficient catalysts is of great importance for the above process. The preparation of supported metal catalysts using low rank coal-based supports is not only beneficial for improving the utilization efficiency of low rank coals and decreasing the costs of the catalysts but also, more importantly, affecting positively the performances of the metals and the reaction process due to the unique structures of the supports. The objectives of this project are to prepare novel metal catalysts using lignite-based carbon materials as the supports, and to apply the obtained catalysts in the reactions of the conversion of biomass into important chemicals. Main attentions will be focused on the influences of the inherent oxygen-containing groups and carbon skeleton and pore structures on the performances of the catalysts and the reaction process. Effects of the preparation methods of the catalysts, reaction conditions, different substrates and metals on the reaction, possible mechanisms, relationships between the performances and the structures of the catalysts, etc., will be investigated in detail. The study of this project is potential to provide valuable results for the related technique exploration during the utilization of low rank coals and the conversion of biomass. Conclusively, this project is of great significance in both theoretical and practical aspects.

我国褐煤等低阶煤资源丰富，但作为能源物质使用具有效率低、污染大等缺点，而褐煤结构中含有天然含氧官能团、碳骨架和孔道结构，是潜在的功能化碳基催化剂载体来源。另一方面，生物质催化转化是生物质可再生资源利用的重要途径，高效催化剂的制备对生物质转化具有重要意义。利用低阶煤制备负载型金属催化剂，不仅有望提高低阶煤的利用效率，降低催化剂载体成本，更重要的是低阶煤独特的结构可能对金属组分性能、反应过程等方面产生重要影响。本项目将利用褐煤为原料制备金属/碳基载体催化剂并用于生物质转化制备重要化学品的反应，重点研究天然含氧官能团和碳骨架及孔道结构对催化剂以及反应过程的影响，系统开展催化剂制备方法、反应条件、金属种类、反应物种类等对催化剂活性和选择性的影响规律和机理，探索催化剂结构和性能的构效关系。本项目有望为低阶煤资源高效利用和生物质催化转化相关技术的开发奠定科学基础，这方面研究具有重要的理论和实际意义。

低阶煤是重要的煤炭资源，但作为能源使用时利用效率较低，开发低阶煤非能源利用途径具有重要意义。低阶煤具有独特的天然组成和结构，如何针对低阶煤特殊性质开展针对性利用是低阶煤非能源利用途径中重要的科学问题。本项目以内蒙古胜利褐煤为研究对象，基于褐煤富含天然酸性含氧官能团和碳骨架结构这一特点，提出了利用褐煤及其衍生物中酸性官能团与金属离子作用构建金属—有机配体（载体）复合催化剂这一应用路线；具体建立了分别利用褐煤腐植酸、褐煤提取腐植酸后不同组分、褐煤原煤及酸洗脱矿褐煤、褐煤氧化解聚产物为有机配体构建锆基氢转移催化剂的技术路线，系统研究了催化剂制备条件和反应条件对催化剂性能的影响，分析了催化剂结构与性能之间的关系，并考察了所提出技术路线对不同反应底物、不同煤种以及不同类型金属催化剂的普适性。 . 结果表明，利用褐煤或其衍生物中天然酸性官能团构建金属—有机配体（载体）复合催化剂这一路线是可行的，项目所构建的褐煤腐植酸—锆、褐煤原煤/脱矿褐煤—锆、褐煤氧化解聚产物—锆催化剂在生物质平台分子羰基或醛基化合物选择性加氢转化反应中表现出优异的活性和稳定性，且对不同结构底物均有良好的催化性能；催化剂制备过程中锆盐与褐煤或其衍生物的质量比是影响催化剂活性的关键因素，去除褐煤中固有矿物质能够提高催化剂循环稳定性；所构建催化剂活性受到催化剂锆含量、比表面积、酸性含氧官能团含量等因素的共同影响；褐煤提取腐植酸后水溶性组分和固体残余物均可用于锆基催化剂的构建；褐煤氧化解聚产物混合物可不经过复杂分离直接用于锆基催化剂的构建；上述路线适用于酸性含氧官能团含量较高的低阶煤；除了锆基氢转移催化剂，上述路线也适用于铜基醇氧化催化剂、铁基光催化催化剂的构建，表明这一路线对不同类型催化剂的构建具有良好的普适性。. 本项目研究结果为褐煤等低阶煤非能源利用提供技术支持和基础数据，对实现低阶煤高效、高值化利用具有参考意义。