新型双功能催化剂催化生物质能源制备呋喃类化合物工艺研究

论文总字数：25770字

摘 要

在全球经济高速发展的今天，化石资源开始日益枯竭，环境污染变得越来越不可忽略，这些问题都逐渐成为了当前世界需要面临的巨大挑战。生物质资源便开始进入人们的视线，它因为具有成本低廉、储量丰富、绿色环保等优点，被视为最佳的化石资源替代物。目前，水解生物质获取单糖从而进一步将其制备为高附加值的平台化合物是实现生物质资源利用的重要途径之一。其中，糠醛因其多功能的分子结构被视为重要的有机化工原料，进而被人们广泛研究。然而，目前由于生产成本较高、反应产率低等一系列因素限制了其在实际中的工业化生产。因此，亟待发展一种绿色、高效、廉价的催化反应体系从而实现其高效合成。本论文讨论了使用廉价、高效、双功能的CrPO₄作为催化剂，使用木糖作为反应底物，采用“一锅法”的制备方法来制备糠醛这种呋喃化合物的过程。系统考察了催化剂的酸性性质、反应时间、反应温度等因素对催化剂催化活性的影响，阐明了催化剂催化活性与溶解度的内在联系。

采用CrPO₄作为催化剂，在水/四氢呋喃的双相体系中，在不同的反应温度（140-180 ℃）和不同的反应时间（30-150 min）下以木糖作为反应底物制备糠醛。实验结果表明，在160 ℃、60 min的最佳反应条件下，使用0.15g催化剂，加入NaCl，可实现最高为88% 的糠醛产率。CrPO₄催化剂良好的催化活性源自于其在高温条件下可水解产生Lewis与Brønsted酸性点位的“双功能特性”。

关键词：生物质能源，糠醛，磷酸铬，木糖

Abstract

The contradiction between the diminishing of non-renewable resource reserves and the increasing demands for fuels, as well as the environmental pollution caused by overuse and exploitation of fossil resources, has become a huge challenge for mankind. Renewable biomass, which has the characteristics of friendly environment, abundant reserves and low cost, has been regarded as the most ideal new energy source. Recently, a great deal of efforts have been devoted to the process of acid catalyzed hydrolysis of biomass to produce a series of monosaccharides followed by their further preparation into different high-value platform compounds. Among them, furfural because of its multifunctional molecular structure is considered an important organic chemical raw materials and then by people in-depth study. However, due to the higher production cost, a series of factors restrict its industrial production in practice. Therefore, a green, efficient and cheap catalytic reaction system is urgently needed to realize its efficient synthesis. In this paper, furfural was prepared by using CrPO₄ as the catalysts. Xylose are investigated as substrates in a biphasic system. The effects of reaction time, reaction temperature, and reaction systems on the catalytic activity of the catalyst are investigated.

Experimental results show that the highest yield of 88% of furfural are achieved using CrPO4 as the catalyst, xylose as reaction material under the optimum reaction condition of 160 ℃, 60 min. Moreover, CrPO₄ also shows good catalytic activity for more complex structures of cellulose and lignocellulose.

KEY WORDS: furfural, bifunctional catalyst, xylose, CrPO₄

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 生物质能源简介 1

1.1.1 生物质及其应用前景 1

1.1.2 木质纤维素 2

1.1.3 生物质化学品 3

1.2 平台化合物糠醛 5

1.2.1 糠醛的性质及用途 5

1.2.2 均相催化反应体系生成糠醛 5

1.2.3 多相催化反应体系生成糠醛 6

1.2.4 糠醛的合成机理 7

1.3 生物质原料制备糠醛过程中存在的问题 7

1.4 实验的研究设想 7

1.5 实验目的 8

第二章 CrPO₄催化剂“一锅法”催化转化生物质原料制备糠醛的研究 9

2.1 催化剂CrPO4的选取与简介 9

2.2 实验部分 9

2.2.1 实验试剂与仪器 9

2.2.2 催化剂的催化活性测试 9

2.2.3 产物分析 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 反应温度和时间对木糖转化为糠醛的影响 11

3.1.1 反应温度对木糖转化为糠醛的影响 11

3.1.2 反应时间对木糖转化为糠醛的影响 11

3.2 催化剂用量对木糖转化为糠醛的影响 12

3.3 反应体系的两相比对木糖转化为糠醛的影响 13

3.4 CrPO₄催化剂稳定性测试 14

3.5 产物分析结果 14

3.6 CrPO₄催化生物质转化合成糠醛可能存在的反应机理 16

3.7 本章小结 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

致谢 21

参考文献 22

绪论

进入21世纪80年代以来，由于化石资源被人们大量使用，变得日益匮乏而又不可再生，世界各国尤其是发达国家开始逐渐高度重视起了储量丰富、环境友好的生物质能源。实现生物质能源的高效开发和利用对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。近年来，催化生物质能源转化制备高价值的平台化合物，进而实现工业化生产也成为了科学界日益关注的热点话题^[1]。

1.1 生物质能源简介

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