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(diǎn)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(zhuǎn)化方面取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)環(huán)境類核心期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))和國(guó)際權(quán)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(guān)化學(xué)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(xué)界研究的熱點(diǎn)之一。在不影響現(xiàn)階段全球經(jīng)濟(jì)平衡的同時(shí)，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(guān)注。糠醛作為一種重要的生物質(zhì)平臺(tái)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(zhuǎn)化為不同的高附加值化學(xué)品。糠醛加氫可以得到糠醇、四氫糠醇、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(xué)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(zhuǎn)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(jià)格昂貴等缺點(diǎn)限制了其商業(yè)化應(yīng)用。為此，研究開發(fā)資源豐富、制備簡(jiǎn)單且環(huán)境友好的非貴金屬催化劑逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
  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(guān)研究人員依托于中科院科研裝備研制項(xiàng)目“集成式生物質(zhì)轉(zhuǎn)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(xué)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(gòu)筑的催化劑具有更高的銅顆粒分散度和還原度，且對(duì)反應(yīng)物具有優(yōu)異的吸附性(圖1)。在溫和的反應(yīng)條件(378K，0.4MPa和2h)下，糠醛加氫到糠醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性基本可以達(dá)到100%，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性(圖2)。
 圖2. 反應(yīng)參數(shù)對(duì)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(zhuǎn)移加氫制備糠醇中，也展現(xiàn)了優(yōu)越的性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(ACS Sustain. Chem. Eng., 5, 2172−2180 (2017))。之后，相關(guān)人員通過簡(jiǎn)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(yīng)條件(353K，4MPa和3h)下，糠醛深度加氫到四氫糠醇的轉(zhuǎn)化率和選擇性達(dá)到100%，且具有優(yōu)越的穩(wěn)定性。除此之外，相對(duì)于傳統(tǒng)的鎳催化劑，所制備的氮摻雜催化劑在轉(zhuǎn)移加氫中顯示了較大的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究結(jié)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?xiàng)l件對(duì)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(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院百人計(jì)劃及國(guó)際創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。
  編輯點(diǎn)評(píng)
  在社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)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(guó)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(diǎn)研究任務(wù)之一。固化所在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化方面取得進(jìn)展，這對(duì)新能源的開發(fā)和催化轉(zhuǎn)化具有重要意義。