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科學研究
科研進展

中科院廣州能源研究所在纖維素乙醇化學催化制備方面取得重要突破

文章來源:生物質催化轉化研究室  |  發布時間:2019-08-13  |  【打印】 【關閉

  

  近期中科院廣州能源研究所研究員馬隆龍團隊成功研發了Ni@C催化劑,實現了纖維素水相系一步轉化為乙醇,在纖維素乙醇化學催化制備領域取得了重要突破。 

  目前化石能源的大量消耗引發了嚴重的能源危機和日益嚴峻的環境問題,因此尋找用于替代化石能源的可再生和環境友好型資源的需求愈發迫切。木質纖維素類生物質作為重要的可再生資源,具有儲存量大、分布廣泛且易于獲得的優勢,被認為是生產化學品和燃料的重要碳源。乙醇是一種優質燃料添加劑和多種用途的大眾化學品,特別是作為燃料添加劑與汽油混配構成的新型替代能源具有節省資源、減少汽車尾氣污染等優勢。但傳統的生物乙醇采用酶解-發酵法制備生產周期長、反應物酶價格昂貴、生產工藝易致毒,而且存在理論收率(67%)和極限濃度(10wt%-12wt%)等生產瓶頸,使其技術的經濟性面臨嚴峻挑戰。相比之下,通過化學催化法將非食用的秸稈、樹葉、農林廢棄物和城鄉有機垃圾等纖維素高效轉化為纖維素乙醇的生產路線,具有過程簡單、效率高、與現有化工生產設施易對接等獨特優勢,引起了科研人員的廣泛關注。 

 

反應機理

 

  馬隆龍研究團隊成功研發了Ni@C催化劑,通過精確調控催化劑的結構,實現了纖維素水相系一步轉化為乙醇,收率高達69%,在高濃度纖維素反應條件下獲得乙醇的濃度高達8.9wt%,與酶解-發酵法的理論產率相當。研究發現,H3PO4與中間產物葡萄糖形成的環狀二酯配合物可有效使后者活化,在表面帶有負電荷的Ni@C催化劑協同氫解作用下精準斷裂葡萄糖分子中的C-CC-O鍵生成乙醇。該研究系首次在非貴金屬催化劑上實現纖維素乙醇的一步轉化,為高效、低成本纖維素乙醇的工業化生產提供了新途徑。相關工作(Selective Cellulose Hydrogenolysis to Ethanol Using Ni@C Combined with Phosphoric Acid Catalysts DOI: 10.1002/cssc.201901110)被選做前封面文章發表在《ChemSusChem》 

 

《ChemSusChem》封面

 

  上述研究工作得到了國家自然科學基金(51536009),國家重點研發項目(2018YFB15014022017YFE0106600)和中科院潔凈能源創新研究院合作基金(DNL180302)的支持。 

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