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目前,各类化学品和合成聚合物的工业生产过度依赖化石资源,在寻求可再生资源替代品过程中,生物质和生物质衍生材料凭借价格低廉、来源广泛成为当代最具发展潜力的研究热点。其中,通过热解制备原位杂原子掺杂的生物质碳基材料应用于电热催化、以及生物质多糖单元转化制备高附加值化学品方面的研究备受关注。木糖酸和葡萄糖酸是糖酸平台化合物的重要研究产物,被广泛应用于食品、农业、医药、建筑等领域。其中,木糖酸还可作为绿色溶剂,高效催化Biginelli反应进行。因此,开发一种高效、简便、环保节能且具有高选择性氧化性能催化剂和催化体系制备木糖酸和葡萄糖酸具有重要意义。本论文从生物质高附加值利用的角度,使用天然N掺杂碱性聚合物壳聚糖为原料制备金负载的碳基催化剂,并对其在五碳糖D-木糖、六碳糖D-葡萄糖的无碱好氧催化制备糖酸的催化活性和氧化机制进行探究,具体内容如下:1.使用机械球磨对壳聚糖尿素混合物进行物理研磨,通过调节不同壳聚糖尿素比例,经碳化后制备得到NC-1、NC-2、NC-3、NC-4和NC-5系列不同N掺杂比例的生物质碳基材料,通过不同表征手段对NC-x系列N掺杂生物质多孔碳材料进行分析研究发现,只有壳聚糖和尿素比例为1:4的N掺杂生物质碳基材料NC-3表现出多级孔纤维状结构,比表面积为653.82 m2g-1,平均孔径为1.65 nm,且NC-3的结晶碳结构主要为T型碳和G型碳,此外,NC-3具有最多N掺杂缺陷空位,其石墨氮和吡啶氮含量分别为30.56%和34.00%。2.使用溶胶固定法对上述制备的NC-x系列N掺杂生物质碳基材料进行Au纳米粒子负载,并将其应用于D-木糖和D-葡萄糖无碱催化氧化制备高附加值糖酸的反应,其中Au/NC-3表现出优异的催化性能和较高选择性。Au/NC-3催化剂的Au负载量为0.97%,Au纳米粒子的平均直径为3.87 nm。Au/NC-3的最优无碱催化氧化木糖制备木糖酸反应条件为木糖用量、反应温度、反应时间、氧气压力以及Au/NC-3催化剂用量分别为0.20 g、100℃、120 min、3 bar、0.05 g,D-木糖酸得率为98.87%,D-木糖转化率为99.86%;Au/NC-3的最优无碱催化氧化葡萄糖制备葡萄糖酸反应条件为葡萄糖用量0.20 g,反应温度100℃,反应时间为120 min,氧气压力为2 bar,Au/NC-3催化剂用量为0.05 g,D-葡萄糖酸得率为97.62%,D-葡萄糖转化率为98.76%。催化剂在前三个循环保持相对稳定,至五次循环后有明显下降,对催化剂循环使用失活机制进行研究,经表征发现催化剂活性下降的主要原因为Au纳米粒子发生团聚,经五次循环后到达平均直径6.74 nm。此外,经催化剂再生活化后,催化剂O含量明显增高,N物种的含量和氮氧化合物消耗量也影响了催化剂活性。3.使用密度泛函理论建立N物种掺杂石墨烯支撑的Au13纳米簇板状模型,对Au纳米颗粒在N掺杂生物质碳结构的优先吸附位点、反应体系内各物质以及反应中间体在催化活性位点的稳定结构进行模拟计算分析。得到Au纳米粒子在吡啶氮空位优先吸附,D-木糖和D-葡萄糖优先于氧气、水分子吸附在Au纳米粒子表面,D-木糖酸和D-葡萄糖酸优先被D-木糖和D-葡萄糖取代脱附于催化剂表面。对无碱催化氧化的机理进行探讨,得到自由基驱动的单糖在催化剂表面氧化为糖酸的反应机理,且Au纳米粒子能够稳定反应过程预测产生的反应中间体。