固体酸催化木质纤维素类生物质水解制备平台化合物的基础研究

Catalytic hydrolysis is an important technique to convert lignocellulosic biomass into valuable platform compounds. This project focuses on producing certain value-added platform compounds, i.e., 5-hydroxymethyl furfural (5-HMF), furfural (FF) and levulic acid (LA), by solid acid catalyst which is recyclable, environment-friendly and operated in mild reaction condition. The reacting differences between the biomass and sugar units of cellulose and hemicellulose will be revealed. Experimental studies and density functional theory calculations will be performed in this project to determine the formation pathways of the 5-HMF, FF and LA , to analyze the mass transfer law in the reaction system, as well as to reveal the correlative mechanism among the catalyst, solvent, reaction condition and product selectivity and yield. Research will also be conducted to reveal the modification and structure-activity relationship of the solid acid catalyst, to elucidate the interaction mechanism among the biomass primary components, to determine the key steps affecting the selectivity and yield of the target products, and finally, obtaining the control mechanism of the catalytic hydrolysis process. Within this project, it is able to provide theoretical basis for developing hydrolysis techniques of converting lignocellulosic biomass into 5-HMF, FF and LA and other valuable platform compounds.

催化水解制备高值平台化合物是木质纤维素类生物质资源的一项重要利用技术。本项目以可回收利用、水解反应条件温和、环境友好的固体酸为催化剂，以高选择性制备5-羟甲基糠醛（5-HMF）、糠醛（FF）、乙酰丙酸（LA）等高值平台化合物为目标，对比分析半纤维素和纤维素糖单元与生物质物料反应特性差别，利用实验研究和密度泛函理论计算相结合对反应过程进行分析，明确催化水解生成5-HMF、FF及LA的反应路径，分析反应体系中的质量传递规律，揭示催化剂、反应溶剂、反应条件与产物选择性和收率间的关联机制，阐述固体酸催化剂制备改性机制及构效关系，解析生物质原料主要成分间的作用机制，确定影响目标产物选择性和收率的关键反应步骤，掌握催化水解反应过程的调控机制，为建立催化木质纤维素类生物质水解制备5-HMF、FF及LA等高值平台化合物的技术方法提供理论基础。

生物质是地球上唯一一种可转化为气液固三相燃料的有机固体废弃物，其综合利用可以有效减少化石燃料的使用，对二氧化碳减排具有重要的意义。以木质纤维素为原料制备平台化合物是其综合利用的一个重要研究方向，开发潜力巨大。在本项目的研究过程中，设计开发了6中固体酸催化剂，并以此为基础开展了催化水解木质纤维素的研究工作，明确了催化剂的设计和制备机制，解析了催化剂在不同反应体系中与木质纤维素的作用机理，确定了催化木质纤维素制备平台化合物的调控机制。在实验研究的基础上，利用DFT计算阐述了固体酸催化木质纤维素合成平台化合物的可能路径。经过4年的研究，共发表学术论文35篇，其中SCI论文29篇，EI论文4篇；申请发明专利4项，其中授权2项；培养青年人才5人，研究生8人。该项目的研究，可作为木质纤维素基平台化合物（糠醛，5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸）绿色制备技术开发的理论基础。