钨基与钼基催化剂上纤维素制乙二醇反应机理及相关动力学研究

Catalytic conversion of cellulose to ethylene glycol (EG) with high selectivity has opened a new avenue for the production of commodity chemicals from biomass. Ethylene glycol yield and catalyst stability has been greatly improved by reaction process optimization and catalysts design. However, the mechanism of C-C cracking under the catalysis of W-based compounds is not clear. The comparative study of cellulose to ethylene glycol will be conducted over W-based and Mo-based catalysts which have the similar chemical structure and catalytic activity. The NMR, in situ FTIR and Raman will be used to characterize the interaction between the catalyst and cellulose. Meanwhile, the control test and kinetic study will be performed to identify the difference between W-based and Mo-based catalysts in the catalytic conversion of cellulose to ethylene glycol. The effect of structure and redox property of catalysts on catalytic activity and products selectivity will be clarified. Through this project research, some important results will be achieved, which will provide theoretical basis for the product adjustment and catalyst design in the following process of catalytic conversion of cellulose to ethylene glycol.

纤维素催化转化制乙二醇为从生物质资源出发生产大宗化工产品开辟了一条新途径。前期工作通过对反应过程的优化和催化剂设计，大大提高了纤维素制乙二醇的产物收率和催化剂稳定性。但对反应机理特别是钨基催化剂作用下C-C断裂机制尚不明确。本项目拟对钨基催化剂和具有类似结构及催化作用的钼基催化剂进行对比研究。利用核磁、原位红外光谱、拉曼光谱等技术对催化剂与纤维素的作用机制进行表征、分析。同时，结合对比实验及动力学考察，深入分析钨基催化剂和钼基催化剂在纤维素制乙二醇反应中的异同。阐明催化剂的结构和氧化还原性等对催化剂反应活性和产物选择性的影响，获得催化剂构效关系的规律性认识。该项目的研究可为未来纤维素转化过程中产物调控及催化剂选择提供理论指导。

生物质是自然界唯一的可再生碳源，将生物质高效转化为燃料和化学品可以缓解日益突出的化石资源枯竭以及环境污染问题。纤维素作为自然界储量最为丰富的生物质资源，可以进一步转化为葡萄糖，乙二醇等重要的化工原料或中间体。本项目对钨基催化剂作用下的纤维素制葡萄糖过程进行了详细的动力学研究，并建立了相关的动力学模型，并通过实验拟合得到了相关的动力学参数，研究发现此动力学模型可以较为准确的描述钨基催化剂作用下的纤维素水解过程，此工作进一步完善了纤维素制乙二醇过程的动力学研究，为以后纤维素制乙二醇的工业应用提供了理论支持和数据支撑。同时，进一步研究了纤维素水解产物葡萄糖的氧化反应，将葡萄糖进一步氧化为具有更高附加值的化合物，研究发现纳米金团簇催化剂可以在葡萄糖氧化反应中展现出良好的催化反应活性。同时，不同原子个数的金团簇催化剂在葡萄糖氧化反应表现出明显的尺寸效应，金原子个数较大时其催化反应活性较高。这部分工作进一步拓展了纤维素以及葡萄糖等生物质资源的利用途径。