论文总字数：29409字

摘 要

由于人类毫无节制地开采和利用不可再生的化石燃料，全球正面临前所未有的资源短缺问题，而且愈来愈加严重。寻找可再生能源来作为化石燃料的替代品，从而解决全球资源短缺问题已经迫在眉睫，是当今社会关注的焦点。纤维素作为一种可再生的生物质资源，广泛存在于自然界中，且每年产量高达500亿吨，是地球上储量最为丰富的可再生生物质资源。由于纤维素本身具有特定的多糖结构，可催化氢解转化为小分子多元醇，因而吸引了国内外一众学者的注意，是当今研究的热点之一，未来很有可能成为化石燃料的替代品，用以制备可供人们使用的化学品或燃料。然而，目前已有的催化剂，多面临催化活性较低或是生产成本较高等问题，所以制备出性能优良、价格低廉的催化剂是本文的主要研究内容。

本文主要采用固相烧结法将过渡金属Ni和稀土金属La均匀地负载在ZIF-8上，然后通过在空气中煅烧、氢气里还原得到Ni-La/ZnO催化剂。通过对负载不同质量分数的Ni和La的研究，发现15％Ni-40％La/ZnO的催化效果最好；通过在不同煅烧温度下制备催化剂，发现最佳煅烧温度为500℃。此催化剂用于催化纤维素加氢水解耦合，得到具有高应用价值的多元醇产品，实现生物质的资源化利用。然后借助X射线衍射和透射电子显微镜观察Ni-La/ZnO催化剂的结构和形貌特征，研究压力、温度、反应时间对纤维素加氢制备多元醇的影响，从而进一步优化反应条件。

关键词：纤维素；固相烧结法；多元醇；ZIF-8；Ni-La/ZnO催化剂

Abstract

Due to the uncontrolled exploitation and use of non-renewable fossil fuel, human beings are facing an unprecedented shortage of resources, which is becoming more and more serious. Looking for renewable energy sources as substitutes for fossil fuel is imminent to solve the problem of global resource shortage, which is the focus of the whole society. As a renewable biomass resource, cellulose of which the storage is the largest on our planet is widely found in nature and has an annual production of 50 billion tons. Since cellulose itself has a specific polysaccharide structure, it can catalyze the hydrogenolysis of cellulose into small molecular polyols, which attracts the attention of scholars at home and abroad. Currently, it is one of the research hotspots, and in the future, it is likely to become a substitute for fossil fuel to prepare chemicals and fuels that can be used by people. However, the existing catalysts usually face following problems, including that the catalytic activity is low, the production cost is high. Therefore, to prepare catalysts with excellent performance in a cheaper way is the main content of this research.

In this paper, the transition metal Ni and rare earth metal La are uniformly supported on ZIF-8 with the method of solid phase sintering, and then Ni-La/ZnO catalyst is obtained by calcination in air and reduction in hydrogen. Through the study of Ni and La with different mass fractions, it is found that 15%Ni-40%La/ZnO has the best catalytic effect. By preparing the catalyst at different calcination temperatures, it is obtained that the optimum calcination temperature is 500℃. This catalyst is used for catalyzing the hydrohydrolysis coupling of cellulose to obtain polyol products with high application value and realizing the resource utilization of biomass. Then the structure and surface topography of Ni-La/ZnO catalysts are observed by X-ray diffraction and TEM. Also, we studied respectively how gas pressure, temperature, and reaction time influence the preparation of polyols by hydrogenation of cellulose.

KEY WORDS: cellulose, solid phase sintering, polyol, ZIF-8, Ni-La/ZnO catalyst

目 录

摘要..........................................................................Ⅰ

Abstract......................................................................Ⅱ

第一章 文献综述 ................................................................1

1.1前言 1

1.2纤维素简介 1

1.2.1纤维素的结构 1

1.2.2纤维素的物理性质 3

1.2.3纤维素的化学性质 3

1.3纤维素的转化途径 3

1.3.1纤维素的水解 3

1.3.2纤维素的氢解 4

1.3.3纤维素的化学改性 5

1.4催化加氢技术简介与纤维素催化加氢技术研究现状 6

1.4.1催化加氢技术简介 6

1.4.2纤维素催化加氢技术发展 6

1.5ZIF-8催化剂 6

1.5.1ZIF-8的制备方法 7

1.5.2ZIF-8的应用 7

1.6主要研究目的与内容 8

1.6.1研究目的 8

1.6.2研究内容 9

第二章 催化剂的制备及表征 .....................................................10

2.1实验部分 10

2.1.1实验试剂 10

2.1.2实验仪器 10

2.2催化剂的制备 10

2.2.1ZIF-8的制备 10

2.2.2Ni-La/ZnO催化剂的制备 11

2.3催化剂的表征 11

2.3.1X射线衍射（XRD） 11

2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 12

2.3.3透射电子显微镜（TEM） 12

2.4催化剂的测试结果与讨论 12

2.4.1ZIF-8的表征 12

2.4.2Ni-La/ZnO催化剂的表征 13

2.5本章小结 15

第三章 纤维素催化加氢的实验及其研究 ...........................................16

3.1实验部分 16

3.1.1实验试剂 16

3.1.2实验仪器 16

3.2纤维素催化加氢反应 16

3.2.1纤维素催化加氢反应条件 16

3.2.2纤维素催化加氢反应步骤 16

3.2.3反应产物的分析方法 17

3.3结果与讨论 18

3.3.1负载不同质量分数La对纤维素催化加氢的影响 18

3.3.2负载不同质量分数Ni对纤维素催化加氢的影响 19

3.3.3催化剂的煅烧温度对纤维素催化加氢的影响 20

3.3.4反应温度对纤维素催化加氢的影响 21

3.3.5反应压力对纤维素催化加氢的影响 22

3.3.6反应时间对纤维素催化加氢的影响 23

3.4适宜条件下的重复试验 24

3.5催化剂的回收试验 24

3.6本章小结 25

第四章 结论...................................................................26

致 谢 ........................................................................27

参考文献 ......................................................................28

第一章 文献综述

1.1前言

当今世界，科技飞速发展进步，带来了人们生活水平的日益提高。与此同时，人类赖以生存的化石燃料却也在逐渐枯竭，我们的生存环境日益恶化。而与之形成鲜明对比的，是人们对于能源和化学品的需求量却在日益增加。根据有关部门的统计分析表明，到2025年，我国能源需求量将是现在能源消耗量的1.5倍^[1]。以煤、石油、天然气为主的化石燃料在我国目前的能源消费结构中占据主导地位。然而，化石燃料作为不可再生能源，在地球上的储量十分有限，由于人们此前不加节制地滥以开采和利用，目前已经面临枯竭。

因此，研究和开发新型可再生能源以替代不可再生的化石燃料，已成为当今化工领域的一大研究热点。纤维素作为地球上储量最丰富的可再生生物质资源，占植物界碳含量的50％以上^[2]。纤维素具有特定的多糖结构，在适宜条件下可以降解生成小分子糖类以及小分子酸类，还可以在催化剂的作用下加氢转化生成乙二醇、丙二醇、山梨醇、甘露醇等小分子化学品，以上这些均为化工生产的原料或中间体，在化工、医药等领域有着至关重要的用途，因而发展成为了一大研究热点，受到了国内外学者的普遍关注。

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