分级结构生物质基3D金属/多孔石墨化碳复合材料的自催化合成及其加氢脱氧反应性能研究

Hydrodeoxygenation (HDO) is one of the most important methods to upgrade biomass-derived platform chemicals into liquid transportation fuels. The design and fabrication of high effective and low-cost HDO catalysts play an important role to determine the success of the process and remain a big challenge. In this project, we propose to develop a novel technique for the design and fabrication of metal/hierarchically porous graphitic carbon composites (M/HPGCs) using lignin as carbon source and template. The metal nanoparticles highly dispersed on the surface of the porous carbon matrix are in situ formed via the carbon thermal reduction, and the graphitic nanostructures are grown inside the porous carbon matrix via the catalytic graphitization processes with the aid of metal nanoparticles. The formation mechanism and the structure of M/HPGCs will be studied in detail, aimed to fabricate M/HPGC composites with tuned structure and properties. The catalytic performance of M/HPGCs for the hydrodeoxygenation of biomass-derived platform chemicals into liquid fuels will be studied, using the selective hydrodeoxygenation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) into 2, 5-dimethylfuran (DMF) as a probe reaction. Strategies for tuning of the catalytic performance of M/HPGCs will be developed, which can be achieved through the determination of the relationships between the structure and composition of M/HPGCs and their catalytic hydrodeoxygenation performance. This project will provide a novel strategy for the design and development of the high effective and low-cost HDO catalysts for bio-oil refining, which will give important experimental and theoretical reference for bio-oil refining.

加氢脱氧（HDO）是生物质衍生平台化合物升级制备液体燃料的重要方法之一，设计和可控制备高效低成本的HDO催化剂是近年来国际上关注的前沿课题之一。本项目拟采用木质素为碳源，通过对其空间结构的科学调控可控制备具有分级结构的3D多孔炭，并以之为炭基体和结构模板，将金属前驱体均匀分散于炭基体内部，经热处理引发碳热还原和催化石墨化反应原位生成具有分级结构的3D金属/多孔石墨化碳复合材料（M/HPGCs）。对M/HPGCs的形成机理和结构演变规律进行深入研究，阐明材料的形成机制以及结构和性质的调控规律。以生物质衍生平台化合物5-羟甲基糠醛等加氢脱氧为探针反应，研究M/HPGCs的加氢脱氧反应性能，揭示材料的结构组成与催化性能的内在规律性关系，建立对材料催化性能调控的技术策略。本课题的实施将为高效低成本HDO催化剂的研发提供一种新的思路，为生物油精制提供重要的实验依据和理论参考。

随着对清洁可再生燃料和精细化学品的需求日益迫切，生物质资源催化转化的重要性变得日益突出。加氢脱氧（HDO）是生物质衍生平台化合物升级制备液体燃料的重要方法之一，设计和可控制备高效的HDO催化剂是近年来国际上关注的前沿课题之一。. 本项目采用具有分级结构的稻壳活性炭为炭基体和结构模板，将金属镍离子均匀分散于炭基体内部，经热处理引发碳原位还原金属镍离子、金属镍纳米粒子催化炭石墨化过程的同步完成，原位制备具有分级结构的金属镍/多孔石墨化碳复合材料（Ni/HPGCs）。以生物油模型化合物香草醛加氢脱氧为探针反应，研究Ni/HPGCs的催化加氢脱氧性能，揭示该材料的结构组成与催化性能的内在规律性关系。利用多种表征技术对Ni/HPGCs的形成机理和结构演变规律进行深入研究，结合实验结果阐明Ni/HPGCs的形成机制以及结构对催化性能的调控规律。采用Ni/HPGCs催化剂，在较温和的反应条件下（1 MPa H2, 150 oC, 500 rpm）可以将香草醛高效的催化加氢脱氧转化为4-甲基愈创木酚，香草醛转化率为89%，目标产物4-甲基愈创木酚的选择性达到100%。. 本项目还发展了一种高效的界面活性催化剂Ru/CNTs，实现了水相中生物质衍生平台化合物糠醛的高效催化转化制备高附加值的化学品环戊酮。详细考察了催化反应条件对Ru/CNTs催化性能的影响。在较低的Ru/CNTs催化剂浓度（Ru/糠醛为0.26 wt%）和较温和的反应条件下（1 MPa H2, 160 oC, 500 rpm），糠醛转化率达到99%，目标产物环戊酮的选择性达到91%。提出了水相中Ru/CNTs催化剂催化糠醛转化的可能反应路径。. 本项目为高效HDO催化剂的研发提供了新的思路，对高效生物油精制技术的开发具有重要的理论意义和应用前景。