糠醛选择性催化合成十氢化萘

As an idea fuel or fuel additive for hypersonic vehicle, decalin is usually derived from nonrenewable fossil energy nowadays. In this project, renewable decalin will be selectively synthesized in high efficiency with furfural which can be obtained from forestry and agricultural residues by chemical method. To achieve this goal, a series of catalysts will be designed, prepared and used for the aqueous-phase selective hydrogenation of furfural to cyclopentanol, the dehydration of cyclopentanol to cyclopentene, the dimerization/rearrangement of cyclopentene to octahydronaphthalene and the hydrogenation of octahydronaphthalene to decalin. The structures, physical and chemical properties of these catalysts will be characterized by various technologies. According to the performances (including activity, selectivity and stability) of the catalysts and their structures, physical and chemical properties, some relationships will be found between the specific BET surface area, pore structure, basicity, acidity, the type of active metal, metal dispersion, the doping of second metal and the activity, selectivity and stability of the catalyst in the above mentioned four reactions. Some possible reaction mechanisms and kinetics models will be proposed. This project may have some new developments in the synthesis of renewable decalin with the furfural. At the same time, it will also offer the key technology and theory for the future production of advanced bio-aviation fuel in large scale. This project has great significance for the energy security, environmental protection, the improvement of our military strength and comprehensive national strength.

十氢化萘作为未来高超音速飞行器的一种理想燃料或燃料添加剂主要由化石能源获得。本项目瞄准以可由农林废弃物通过化学法获得的糠醛为原料选择性高效合成可再生十氢化萘这一目标，设计合成一系列用于糠醛水相选择性加氢合成环戊醇、环戊醇脱水制备环戊烯、环戊烯二聚/重排合成八氢化萘、八氢化萘加氢合成十氢化萘的催化剂，并考察这些催化剂的活性、选择性与稳定性。借助多种手段对催化剂的结构和物理化学性质进行表征。将催化剂的性能及其结构和物理化学性质相关联，系统地揭示催化剂的比表面、孔结构、酸碱性、金属种类、分散度、第二组分掺杂等因素对它们在上述四个反应中的活性、选择性与稳定性的影响规律，阐明反应机理及动力学。本项目有望在以糠醛为原料合成十氢化萘方面取得一些新进展。为未来先进航空生物燃料的大规模应用提供关键技术和理论依据。本项目工作对保障国家能源安全、提高我国的军事实力和综合国力、保护环境都具有重要的理论和现实意义。

高热安定航空燃料的催化合成是保障高超音速武器飞行安全和实现热管理的关键技术。十氢化萘作为经典高热安定性航空燃料—JP-900的主要成分以及目前常用于改善提高航空燃料热安定性的添加剂主要由化石能源获得，其价格和供应受国际环境的影响很大。糠醛是农林废弃物中半纤维素部分通过水解-脱水反应获得的一种重要的化工原料。我国是糠醛生产大国，年产量占世界总年产量的70%左右。开发以糠醛为原料合成十氢化萘的新技术符合我国农业大国和能源进口大国的国情，对利用我国已有的糠醛生产工业基础缓解我国对进口石油的依赖程度、保障我国国防领域在特殊国际环境下特种航空燃料的供应、提高我国的军事实力和综合国力、维护世界和平、保护环境都具有重要的意义。在本项目中，研究了糠醛水相选择性加氢合成环戊醇和环戊酮的机理并在此基础上提出了以糠醇为原料合成经典高密度单组分先进航空燃料JP-10的新路线；开发了一些以糠醛水相选择性加氢产物环戊酮为代表的木质纤维素平台化合物为原料通过固体碱、固体酸、或离子液体催化剂促进的羟醛缩合实现碳碳键的选择性可控增长，并通过金属催化剂促进的加氢脱氧反应和固体酸催化剂促进的异构化（或烷基化）反应选择性合成以十氢化萘、八氢化茚、全氢芴为代表的高密度、高热安定性航空燃料或添加剂的新路线和催化剂；开发了纤维素选择性氢解合成2,5-己二酮的催化剂，并采用双床催化剂实现了2,5-己二酮和氢气为原料“一步法”直接合成航空煤油多环烷烃，采用锌钼氧化物催化剂实现了2,5-己二酮和氢气为原料通过分子内羟醛缩合/选择性加氢脱氧串联反应“一步法”合成经典高密度航空燃料RJ-4合成单体-甲基环戊二烯。以上工作为进一步开发以农林废弃物为原料合成高密度、高热安定特种航空燃料的系统性深入研究以及工业化应用奠定了基础。