中科院在生物質(zhì)催化轉化方面取得新進展

   隨著化石資源逐漸減少和環(huán)境污染日益加重，尋找新能源成為科研人員研究的重點工作之一。近期，固體所環(huán)境與能源納米材料中心在生物質(zhì)催化轉化方面取得新進展，實現(xiàn)了相關物質(zhì)的轉化。相關研究成果相繼發(fā)表在美國化學會環(huán)境類核心期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))和國際權威催化期刊Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (J. Mol. Catal. A: Chem. 429, 51–59 (2017))上。
   目前，燃料油(汽油、柴油及航空油)和相關化學品的合成主要來源于石油化工行業(yè)，隨著化石資源的逐漸減少和環(huán)境污染的日益加重，尋找替代化石資源的可再生能源一直是科學界研究的熱點之一。在不影響現(xiàn)階段全球經(jīng)濟平衡的同時，生物質(zhì)能源作為清潔的可再生能源物質(zhì)，已經(jīng)被越來越多的研究者所關注?？啡┳鳛橐环N重要的生物質(zhì)平臺分子，主要來源于半纖維素的水解，可以經(jīng)過加氫、氧化、酯化等過程轉化為不同的高附加值化學品?？啡┘託淇梢缘玫娇反肌⑺臍淇反?、2-甲基呋喃、2-甲基四氫呋喃、戊二醇等物質(zhì)，這些重要的化學品具有廣泛的用途，可作為油品添加劑、溶劑、藥物中間體等。目前這類轉化主要以貴金屬催化劑為主，其催化活性雖高，但是選擇性差、資源稀缺、價格昂貴等缺點限制了其商業(yè)化應用。為此，研究開發(fā)資源豐富、制備簡單且環(huán)境友好的非貴金屬催化劑逐漸成為該領域的研究熱點。
  圖1. 磺酸基改性的銅基催化劑表征 (a) XRD；(b)紅外；(c)XPS；(d)XAES。
  相關研究人員依托于中科院科研裝備研制項目“集成式生物質(zhì)轉化催化劑研究裝置”，相繼開發(fā)出性能優(yōu)越的銅基和鎳基非貴金屬催化劑。首先，以化學還原法成功制備出了磺酸基改性的銅基催化劑。相比于傳統(tǒng)的銅催化劑，采用上述方法所構筑的催化劑具有更高的銅顆粒分散度和還原度，且對反應物具有優(yōu)異的吸附性(圖1)。在溫和的反應條件(378K，0.4MPa和2h)下，糠醛加氫到糠醇的轉化率和選擇性基本可以達到100%，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性(圖2)。
 圖2. 反應參數(shù)對糠醛加氫性能的影響及催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性。
  除此之外，改性的催化劑在轉移加氫制備糠醇中，也展現(xiàn)了優(yōu)越的性能。相關研究結果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(ACS Sustain. Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))。之后，相關人員通過簡單的熱解法制備了氮摻雜鎳基催化劑，通過調(diào)控煅燒溫度和氮含量，制備出了比表面積大、鎳顆粒尺寸均一、氮摻雜類型和含量可控的鎳基納米催化劑(圖3)。在溫和的反應條件(353K，4MPa和3h)下，糠醛深度加氫到四氫糠醇的轉化率和選擇性達到100%，且具有優(yōu)越的穩(wěn)定性。除此之外，相對于傳統(tǒng)的鎳催化劑，所制備的氮摻雜催化劑在轉移加氫中顯示了較大的優(yōu)勢。相關研究結果發(fā)表于Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (J. Mol. Catal. A: Chem. 429, 51–59 (2017))。
  圖3. 前處理條件對含氮鎳基催化劑(Ni/NAC)形貌及加氫性能的影響 (a) 不摻雜N；(b) 973K,1h；(c) 1073K, 0.5h；(d)1073K, 1h；(e) 1073K, 2h；(f) 1173K,1h。
  該工作得到中科院裝備研制項目、國家自然科學基金、中科院百人計劃及國際創(chuàng)新團隊項目的資助。
  編輯點評
  在社會進步和經(jīng)濟發(fā)展過程中，眾多的人類的資源被開發(fā)利用，造成目前我國化石資源逐漸減少，再加上不合理的開發(fā)使用給環(huán)境造成巨大破壞，因此，開發(fā)利用新能源成為科研人員的重點研究任務之一。固化所在生物質(zhì)催化轉化方面取得進展，這對新能源的開發(fā)和催化轉化具有重要意義。