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宁波材料所在生物质催化转化研究方面取得系列新进展
作者:,日期:2021-06-05

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  在我国向全世界承诺“2030年碳达峰、2060年碳中和”的时代背景下,作为碳中性的生物质将会在资源和能源领域发挥越来越重要的作用,生物质转化与利用行业迎来了历史上最为重要的发展机遇期。利用高效催化技术将生物质资源转化为高附加值的化工平台化合物,并在平台分子基础上衍生下游绿色化学品,将加速碳中和时代的到来。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所非金属催化团队前期与浙江糖能科技有限公司合作开发了具有自主知识产权的万吨级5-羟甲基糠醛(HMF)制备工艺和HMF、呋喃二甲醇、四氢呋喃二甲醇、呋喃二醚、双-(5-甲酰基糠基)醚等系列产品。近期,团队继续围绕六碳糖高值化路线开展研究,在HMF合成、氧化、醚化方面取得系列新进展。

  在HMF高效合成与分离方面,首次采用二苯基亚砜(DPhSO)作为溶剂和催化剂用于果糖脱水制HMF反应,获得了较高的HMF产率并实现了溶剂与产物的高效分离,实验确认亚砜基团是果糖脱水催化活性中心。由于DPhSO熔点高且不溶于水,因此在反应结束后可用水从DPhSO中萃取HMF,从而实现HMF的高效分离,这为低成本生产高纯HMF提供了全新的技术路线(发明专利2020115020501;Green Chem., 2021, 23, 3241,封底文章);此外,以废弃PET塑料和生物质为原料制备了碳量子点高效催化剂,用于催化果糖脱水实现了50℃低温高效制备HMF,性能稳定(Catal. Lett., 2021, 151, 1; Mater. Today Chem., 2021, 20, 100423)。针对HMF在强碱性溶剂中不稳定的问题,首次以耐酸碱、热稳定性好、易保存的2,5-呋喃二甲醇(BHMF)为原料,以泡沫镍上原位生长的CoOOH纳米片为催化剂,通过电催化耦合反应可同时高效制备氢气和2,5-呋喃二甲酸(FDCA),析氢法拉第效率接近100%、FDCA收率可达90.2%,并获得了高纯FDCA粉末产品,这为降低生物质原料储存和运输成本、提高产品纯度提供了全新思路(发明专利202010242554.8、PCT/CN2020/082396;Appl. Catal. B, 2021, 297, 120396);此外,基于近年来团队在FDCA制备方面的研究和思考,总结并评述了国内外研究者在热催化、电催化、光催化、光电催化方面所取得的进展,提出了该研究领域所存在的挑战与发展方向(J. Energy Chem., 2021, 54, 528)。在HMF醚化方面,采用氨蒸法制备了铜负载的多级孔分子筛催化剂,在固定床反应器上催化HMF一步加氢-醚化制备2,5-呋喃二甲醇二乙基醚(BEMF),BEMF收率可达79%。结合反应底物切换、气氛调变以及催化剂表征,明确了反应路径和催化剂失活机制(ChemCatChem, 2021, DOI: 10.1002/cctc.202100489)。

  上述工作得到了中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-JSC037)、国家自然科学基金面上项目(22072170)、浙江省自然科学基金一般和青年项目(LY19B030003、LQ19B060002)、宁波市重大专项(2018B10056、2019B10096)等项目资助。

生物质催化转化路线

  (文/图:新能源所 谌春林 淮丽媛 李明富 胡华雷)

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