镍-钨共掺杂炭催化剂催化纤维素氢解制备乙二醇

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乙二醇(EG)是一种重要的工业原料,可以用来生产聚酯纤维、防冻液和化妆品,也可以作为溶剂、表面活性剂等,全球年消耗量巨大。乙二醇的传统合成工艺主要是以不可再生的石油和煤为原料,不符合“双碳目标”。纤维素是自然界中含量最多的多糖,以其为原料能够有效缓解对化石燃料的依赖。本论文以纤维素为原料,制备了一系列镍钨共掺杂多功能催化剂,探究了催化剂结构与其催化氢解纤维素制备乙二醇的构效关系。研究内容主要分为以下三个部分:(1)以葡萄糖为原料制备炭载体,通过浸渍法掺杂镍和钨制备多功能催化剂Ni-WOX-GCT-RT。探讨不同还原温度催化剂催化纤维素氢解制备乙二醇的影响规律,随着还原温度由300℃增加至600℃,催化剂中的W物种由WOX还原为单质W,W6+和W5+的比例逐渐减少,W4+和W0+的比例逐渐增加。9%Ni-6%WOX-GC800-R400催化剂具有较高的W5+和Ni0+含量,在最佳条件下,纤维素的转化率为100%,乙二醇的产率为63.6%。最优催化剂在循环使用五次之后,纤维素的转化率和乙二醇的产率分别为72%和39%。(2)针对上一章催化剂循环使用性能较差的缺陷,本章使用一步法制备高稳定性的Ni-WOX-GCT催化剂,通过调控W负载量来探究W5+和Br?nsted酸含量对乙二醇选择性的影响。随着W负载量增加,WOX物种的聚合度增加,聚合态的WOX提供了大量的多钨酸盐物种,增加了Br?nsted酸的含量,Br?nsted酸有利于纤维素水解为葡萄糖,为后续反应奠定良好的基础。此外,W负载量的增加促进了WOX的还原,使W5+的含量增加,从而促进乙醛醇的生成。在Br?nsted酸、W5+和Ni0+活性位点之间的协同作用下,9%Ni-12%WOX-GC700催化剂表现出较为优异的催化性能,在最佳条件下,纤维素转化率为100%,乙二醇的产率为65%。最优催化剂在循环使用六次之后,纤维素的转化率和乙二醇的产率得到了良好的保持,分别为87%和54.9%。(3)进一步提高催化剂制备过程中的碳化温度和W负载量来制备Ni-WC-GCT催化剂。在金属Ni的作用下,随着碳化温度和W负载量的增加,催化剂在制备过程中发生渗碳反应,导致W物种经历了WOX→W→WC形态的变化,这种变化影响了金属W的价态和比表面积,直接影响了催化性能。9%Ni-13.5%WC-GC850催化剂具有良好的催化活性,在最佳条件下,纤维素的转化率为100%,乙二醇的产率高达69.2%。最优催化剂在循环使用六次之后,纤维素的转化率和乙二醇产率分别为84%和58.4%。
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