碳化钼基催化材料的结构设计和表面调控及其在木质素芳基醚键断裂反应中的应用

Catalytic conversion of lignin into small molecules (C6-C10 compounds) is a promising solution to energy crisis and environmental pollution. Lignin can be fully converted into high valued chemicals over molybdenum carbide catalysts through the cleavage reaction of aromatic carbon-oxygen bonds. However, this practical application is restricted by the low selectivity. The key to solving this problem is to develop new catalytic systems which are efficient in catalytic cleavage of aryl ether bonds. Nevertheless, the fine structure of the catalyst has not been well controlled and the reaction mechanism over molybdenum carbides is not well clarified. In this project, the catalytic conversion of lignin and lignin model compounds which contain C-O bonds will be investigated. The design, synthesis, characterization and assembly of molybdenum carbide catalysts and their functionalize will be explored. The cooperative effects of the catalysts and solvents on the cleavage of aryl ether bonds will be studied and the highly efficient catalyst system will be built. This project aims to reveal the synergistic roles of molybdenum carbide catalysts, and then build a solid foundation for the commerciallization of biobased fine chemicals production.

木质素解聚为小分子有机化学品（C6-C10化合物）的过程能够缓解能源危机和环境污染，碳化钼催化剂可有效断裂木质素结构中的芳基醚键，将木质素高效转化为高附加值有机化学品，但低选择性限制了这一过程的实际应用。开发高效的芳基醚键活化断裂反应催化剂是解决这一问题的关键。目前对碳化钼催化反应体系的研究并未对催化剂精细结构进行控制，催化剂作用机理也有待研究。本项目对木质素芳基醚键催化断裂转化过程进行深入研究，采用自组装模板法对碳化钼催化剂及其功能化结构进行定向设计、合成和组装，研究催化剂和反应溶剂对碳氧醚键断裂反应的促进作用，提出碳化钼作用下的芳基醚键断裂反应机理，从而建立高效催化反应体系，为木质素催化直接转化制取液体燃料和有机化学品的工业应用奠定基础。

碳化钼催化剂在木质素及其模型化合物的C-O醚键断裂反应中有着较好的催化活性，然而由于缺乏对碳化钼催化剂结构的精准调控，导致木质素解聚反应效率和目标产物选择性低。 本项目致力于对碳化钼及其功能化结构进行定向设计、合成和组装，探究催化剂和溶剂对C-O醚键断裂反应的促进作用，提出碳化钼作用下的C-O醚键断裂反应机理，从而建立高效催化反应体系，为木质素高值转化利用奠定基础。. 项目取得多项研究成果，包括：（1）以具有不同形貌的钼基金属有机框架材料（Mo-MOF）为前驱体，经过“热解-碳热还原”法，制备出了一系列具有不同形貌、不同表面价态和酸碱性的碳化钼催化剂，揭示了制备条件对Mo2C结构和表面性质的影响，开发出具有优异C-O醚键断裂反应活性的催化体系；（2）基于反相微乳液法，开发出了一系列具有不同粒径大小的负载在多孔二氧化硅上的碳化钼催化剂（Mo2C/SiO2）。考察了反式微乳液中Mo/Si比例对催化剂晶型、形貌、粒径及价态分布的影响，可控合成了1.8-6.8 nm的Mo2C/SiO2，考察了其对木质素及其二聚体模型化合物C-O键断裂反应的活性，通过优化催化剂粒径，提高了其在高温水溶剂中的催化活性；（3）进一步拓展了木质素高值应用领域，如将木质素转化为高羟值的多元醇，并合成聚氨酯材料以及将木质素转化为具有低毒性、高荧光量子产率碳量子点的催化反应体系。. 在项目执行期内共发表SCI论文11篇，申请发明专利4项，培养硕士研究生4人。.