论文总字数：27715字

摘 要

化石资源，如石油、煤炭和天然气在化学品的生产中是很重要的原料组分。然而，社会各界对全球性问题（化石资源储量减少，能源需求量增长以及环境污染问题）的关注正在督促研究人员探索可以替代石化资源、缓解环境污染的新型可再生能源。生物质能源，因其储量巨大且可再生，受到国内外学者的密切关注。而纤维素，作为世界上有很大的储量的有机原料资源，主要来自农林废弃物，将其催化加氢可产生具有高附加值的化学品中间体。

本文采用一步煅烧法制备ZnO催化剂，并使用NaBH₄还原法将贵金属Pt、Pd、Ru以及非贵金属Ni负载在ZnO催化剂上；在此基础上，采用共沉淀法制备ZnO-ZrO₂复合氧化物，并使用浸渍法制备了不同金属负载量的Ni/ZnO-ZrO₂催化剂。然后，将制备的催化剂用于进行微晶纤维素的催化加氢反应，从中挑选出性价比较高的金属负载物，并确定其最佳的负载量，以及探究反应温度、反应时长以及初始氢气压力对于本反应的影响。

结果表明，使用20wt%Ni/ ZnO-ZrO₂催化剂，在245℃，初始氢气压力为4MPa下反应3h，可使多元醇收率达到39.11%，其中主产物1,2-丙二醇（1,2-PG）的产率达到25.44%。在此催化剂中，ZrO₂可促进纤维素水解，ZnO可促进葡萄糖发生异构化，并产生果糖，Ni可以提高催化剂的催化活性，能够有效将纤维素转化成1,2-PG。

关键词：催化加氢，纤维素，1,2-丙二醇

Abstract

The production of chemicals highly depends on non-renewable fossil resources such as petroleum, coal, and natural gas. However, global issues, such as decreasing fossil fuel reserves, the growing demand for energy in the future and the concern on greenhouse gas emissions, is motivating researchers to explore alternative energy sources that can avoid these issues. Biomass energy, which has been directly acquired via combustion to produce heat for thousands of years, is being reused because of its sustainability and enormous reserves. Cellulose is mainly obtained from agricultural and forestry residues. Cellulose is one of the world's largest organic raw material resources. It can produce high value-added chemicals through the cellulose hydrogenation process.

In this paper, ZnO catalyst was prepared by the one-step calcination method. Pt, Pd, Ru and non-noble metal Ni were supported on ZnO catalysts by sodium borohydride reduction method. ZnO-ZrO₂ was prepared by co-precipitation method. Ni/ZnO-ZrO₂ catalysts with different metal loadings were prepared by impregnation. The prepared catalysts are used for the cellulose hydrogenation process, and the metal-loaded material with a relatively high cost performance is selected, the optimum loading amount, and the influence of the reaction temperature, reaction time, and initial hydrogen pressure on the reaction are investigated. The results showed that the 20% Ni/ZnO-ZrO₂ catalyst reacted for 3 h at 245 °C and initial hydrogen pressure of 4 MPa, the yield of target product 1,2-PG could reach 25.44%. In this catalyst, ZrO₂ can promote the hydrolysis of cellulose, ZnO can promote glucose isomerize into fructose, and can effectively convert cellulose into 1,2-PG.

KEY WORDS: Catalytic hydrogenation, Cellulose, 1,2-propylene glycol(1,2- PG)

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 生物质能 1

1.2.1 生物质能的基本组成 1

1.2.2 生物质能的使用方法 3

1.2.3 生物质能现状及前景 3

1.3 纤维素 3

1.3.1 纤维素的使用方法 3

1.3.2 纤维素的降解方法 4

1.4 纤维素催化加氢 5

1.4.1 纤维素催化加氢产物分析 6

1.4.2 纤维素催化加氢研究现状 7

1.5 ZnO锌基催化剂的研究现状 7

1.6 本课题研究内容 7

第二章 催化剂的制备及表征 9

2.1 实验试剂与仪器 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 催化剂的制备 10

2.2.1 不同金属负载的ZnO催化剂的制备 10

2.2.2 不同Ni负载量的ZnO-ZrO₂催化剂的制备 10

2.3 催化剂的表征 11

2.3.1 X射线粉末衍射（XRD） 11

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 13

2.3.3 透射电子显微镜（TEM） 14

2.4 本章小结 15

第三章 ZnO-ZrO₂催化剂加氢反应实验 16

3.1 实验仪器及试剂 16

3.1.1 实验仪器 16

3.1.2 实验试剂 16

3.2 实验部分 16

3.2.1 纤维素催化加氢反应 16

3.2.2 纤维素催化加氢产物的分析 17

3.3 结果与讨论 19

3.3.1 不同金属负载对纤维素催化加氢反应的影响 19

3.3.2 不同Ni负载量对纤维素催化加氢反应的影响 19

3.3.3 反应温度对纤维素催化加氢反应的影响 20

3.3.4 反应时间对纤维素催化加氢反应的影响 21

3.3.5 初始氢气压力对纤维素催化加氢反应的影响 22

3.4 本章小结 23

第四章 结论与建议 24

致谢 25

参考文献 26

绪论

引言

对于国家经济发展来说，能源是重头戏。但是，如今人类社会发展的速度在不断地提高，这导致了石化能源的储量大量减少，并有可能趋于枯竭。这不仅带来了严重气候问题，还加剧了环境压力。那么，寻找一种能够代替石化能源的新能源，这一课题就成为了国内外学者研究的新方向。^[1-4]我国能源发展到现阶段，已经不仅仅是世界范围内的能源消耗大户，同时也可以生产大量的能源。在这种情况下，要持续经济健康发展的态势，我们需要做的就是要增加能源的供应和保障能源安全。在增加能源供应方面，较为简单有用的方法就是寻找能够代替石化能源的新型能源。所谓新型能源，也就是一些可以在大自然中找到，并且在用完后可以自然再次产生的能源。

生物质能，作为世界上非常要紧的可再生能源之一，在满足我国发展能源要求、缓解环境污染问题，以及逐步调整能源结构等方面具有巨大的潜力。到目前为止，对于生物质能的研究和开发，采用较多并且技术较为成熟的主要有生物质发电、液体燃料、沼气技术等。之所以要大力开发运用生物质能，是因为其不仅仅可以帮助我们节约一些石化能源，并且可以作为石化替代品缓解资源枯竭的窘境，还可以帮助我们解决环境受到污染的问题，使得我们和大自然和谐相处。加大对其应用方式的推广力度，是现如今缓解石化能源缺失的困境、解决气候变暖问题等采取的重要措施。

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