生物质制氢和柴油领域取得新进展

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摘要:我校化学与分子工程学院王艳芹教授课题组近期在生物质催化转化领域取得突破性进展,《自然-通讯》近日以“Selectiveproduction of arenes via direct lignin upgrading over a niobium-basedcatalyst”(

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我校化学与分子工程学院王艳芹教授课题组近期在生物质催化转化领域取得突破性进展,《自然-通讯》近日以“Selective production of arenes via direct lignin upgrading over a niobium-based catalyst” (Ru/Nb2O5催化剂上木质素选择性催化转化到芳香烃)为题,在线报道了该工作。

生物质制氢和柴油领域取得新进展 近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员王峰团队在生物质制氢和柴油领域取得新进展,相关成果发表在《自然-能源》上。由于生物质储量大、年产量高且容易被氧化,因此光催化生物质制氢是一种有潜力的制氢方式。目前生物质制氢后通常被转化成了组分更复杂、更难以解聚的产物而成为废弃物,限制了生物质制氢的应用。因此,在制氢的同时,把生物质选择性地转化成化学品或油品,将降低产物生成的成本,并实现生物质的完全利用。该团队利用可见光催化无氢受体的脱氢C-C偶联反应和自由基的共振特性,将木质纤维素下游产物2-甲基呋喃和2,5-二甲基呋喃转化为组分非常丰富的柴油前驱物。该过程同时产生了同等量的氢气,并可以在452nm波长取得最高15.2%的柴油前驱物量子产率。该柴油前驱物组分为呋喃类化合物,包含的碳数范围为C10~C12和C15~C18,并同时含有直链和支链烷烃的前驱物,其中支链烷烃前驱物的选择性约为41%。将该柴油前驱物加氢脱氧后可以得到相应的烷烃组成的柴油。该合成柴油86%以上的组分为直链和带一个支链的烷烃,与石油来源柴油中链烷烃结构相近。实验表明,产生的氢气可以单独使用,也可以用于加氢脱氧反应,从而减少该过程氢气的使用。综合原位X射线吸收光谱和理论计算等催化表征方法揭示了Ru掺杂ZnIn2S4中取代六配位In离子的Ru离子是提高光催化效率的主要原因。该研究工作成功实现了生物质制备氢气和柴油,实现了生物质的完全利用。此外,制备的柴油组分非常丰富,同时包含直链和支链烷烃。该工作提出了可持续碳资源和太阳能转化为清洁能源的方式。该工作得到国家自然科学基金和中科院先导专项的资助。相关论文信息:大连化物所在生物质制氢和柴油领域取得新进展

木质素是唯一大量存在的具有天然芳香环结构的可再生资源,是木质生物质的三大组分之一,占木质生物质质量的25-35%、能量的40%左右。其特点在于它是一种无定形的芳香性高聚物,由C-C和C-O键组成三维交联的稳固结构,且在解聚过程中容易生成新的C-C键而聚合成大分子。因此,传统催化剂用于木质素转化只能将木质素降解为酚类单体,产物组成十分复杂,难以分离而无法作为精细化学品使用。本研究利用Ru/Nb2O5作为双功能催化剂,首次实现了温和条件下木质素到芳烃的高效转化:木质素单体的转化率接近理论值,烃类质量收率达到了35.5 wt%,芳烃选择性高达71 wt%。该过程既保留了芳香官能团,可直接作为高密度航空煤油组分使用,又降低了氢耗。研究人员在深入研究后发现,Ru/Nb2O5催化剂兼具木质素解聚和脱氧加氢的作用,该成果对木质素的有效利用具有非常重要的现实意义。

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