【摘 要】
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化石燃料的不可持续性、温室气体的排放以及对能源多样性和安全性的巨大需求,开发可持续、低成本、绿色的可替代化石燃料具有重大意义。与生物乙醇相比,高级醇对发动机的腐蚀性小、能量密度更接近于汽油和十六烷值更高,将生物乙醇催化转化为可作为燃料添加剂使用的高级醇引起了广泛的关注。传统的乙醇Guerbet偶联催化剂存在有机溶剂污染、生产成本高、稳定性差、乙醇转化率低以及水相中易失活等问题,本文提出以木质素衍生
【基金项目】
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国家自然科学基金(22038004、220178069、22178069); 广东省基础与应用基础研究基金(2019B151502038、2021A1515012354); 广东省重点领域研发计划项目(2020B1111380002)
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化石燃料的不可持续性、温室气体的排放以及对能源多样性和安全性的巨大需求,开发可持续、低成本、绿色的可替代化石燃料具有重大意义。与生物乙醇相比,高级醇对发动机的腐蚀性小、能量密度更接近于汽油和十六烷值更高,将生物乙醇催化转化为可作为燃料添加剂使用的高级醇引起了广泛的关注。传统的乙醇Guerbet偶联催化剂存在有机溶剂污染、生产成本高、稳定性差、乙醇转化率低以及水相中易失活等问题,本文提出以木质素衍生碳材料作为乙醇偶联催化剂的载体,充分利用木质素廉价易得、来源广泛、三维网状结构以及活性官能团丰富等优点,通过对木质素改性以及杂原子掺杂等手段调控木质素碳材料的结构和形貌,制备了具有优异稳定性的氮掺杂木质素衍生碳材料镍基催化剂,并应用于乙醇水相偶联反应制备高级醇。主要的工作内容如下:(1)对生物炼制残渣酶解木质素进行羧基化和胺基化改性,实现木质素衍生物与Ni、Sn离子精准配位,构筑了木质素-金属复合前驱体,并通过原位煅烧制备了氮掺杂木质素衍生碳材料Ni Sn双金属催化剂(Ni Sn@NC)。采用XRD、XPS、SEM、TEM和ICP和BET等表征手段分析Ni Sn@NC催化剂的结构和形貌,结果表明成功地在碳上引入了N-位点锚定配体,以形成Ni-N键,加强金属与载体之间的相互作用,N的引入有效改善了Ni/Sn共掺杂的木质素衍生碳材料中金属原子的分散性,并通过调节金属的电子结构协同催化提高催化活性和稳定性。研究了催化剂煅烧温度、煅烧时间、催化剂金属组成等对乙醇偶联转化为高级醇的转化率和收率等的影响,结果表明Ni20Sn1@NC催化剂制备的优化条件为:碳化时间2 h、碳烧温度500℃,其乙醇转化率为68.5%,C4+高级醇收率可达到31.8%,循环三次后仍保留58.5%的转化率和29.1%的收率,其中异构醇与正构醇的比例为0.52,根据反应过程中中间体和产物分布提出Ni Sn@NC催化剂将乙醇转化为C4+高级醇的反应途径和作用机理。(2)羧甲基化胺化木质素衍生物与Ni、Zn金属离子精准配位形成木质素-金属复合前驱体,通过原位煅烧制备得到氮掺杂木质素衍生碳材料Zn负载Ni基催化剂(Ni Zn@NC)。通过FT-IR、XRD、SEM、TEM、BET、ICP和XPS表征分析Ni Zn@NC催化剂的表面形貌和结构特性,考察了木质素胺化试剂用量、催化剂Ni/Zn比例、水热反应配位环境p H值以及乙醇偶联反应氢气初始压力等对乙醇转化为高级醇的转化率和收率的影响。碱木质素羧甲基化胺化改性,优化调节木质素-金属复合前驱体的配位结构,改善了衍生碳材料催化剂的孔结构和缺陷结构等微观形貌和活性物质结构。当胺化试剂/木质素质量比为1/2,Ni20Zn1@NC催化剂作用于乙醇偶联反应可达到75.2%的乙醇转化率和41.7%的高级醇收率。其中,Ni为乙醇偶联反应转化为高级醇的主要活性位点,Zn的掺杂使Ni为富电子状态,从而引起Ni晶粒中的原子空位和碳材料催化剂中的缺陷结构,并有效抑制乙醇偶联过程中的C-C/C-O键断裂。N掺杂可以有效分散金属,并通过调节N掺杂量改善碳材料催化剂的缺陷程度,从而提高Ni20Zn1@NC催化剂作为乙醇偶联反应催化剂的适用性。
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