生物质基碳微球的制备及其在生物质催化转化中的应用

发布时间：2020-06-05 04:19

【摘要】：随着全球经济的持续发展,人类对化石燃料的需求和消耗日益增加。然而煤、石油以及天然气等传统的化石燃料作为现阶段主要的能源和化工原料正日益枯竭；而且化石燃料的大量使用已经引起了全球气候变化以及其它的环境问题,极大的影响着人类的生存和发展,寻找清洁的、可再生的替代能源成为各国的当务之急。生物质资源作为目前地球上大量存在并且唯一一种可再生的碳能源,吸引了全球众多科研工作者的目光。它可以为人类提供各种化学品,而且生物质的基本组成是C-H化合物,与煤、石油、天然气等常规的化石燃料是同类。因此,生物质作为地球上储量丰富的能源而被人们普遍认为是一种可替代传统化石燃料的、清洁的、可解决能源危机的重要的新型能源。功能化生物质基碳微球是一类具有低比表面、高活性、高酸度、高稳定性的固体催化剂。该催化剂可以再在催化转化过程中具有清洁、可循环使用的特性。本文以自然界广泛存在的生物质(纤维素、葡萄糖)作为碳源,在反应釜中,通过绿色工艺水热反应生成生物质基碳微球,随后对其进行磺酸化等一系列处理制备生物质基功能化碳微球。分别尝试了不同生物质基功能化碳微球对纤维素水解及制备5-HMF的催化效果,并对实验条件进行了考察与优化。本研究还对制备的生物质基功能化碳微球进行了改性,使其带有特定的功能,例如磁性,并用改性之后的碳微球催化生物质,考察其活性。主要内容包括：首先,系统地研究了功能化生物质基碳微球的制备方法,以葡萄糖及纤维素等生物质为原料通过水热反应制备生物质基碳微球,然后通过磺酸化改性生物质基碳微球,使生成的碳微球带有特定的官能团。本研究还对生物质基碳微球进行化学活化或者磁性化处理,以提高碳微球的比表面积或者使其带有特定的磁性。利用扫描电镜、X射线衍射、傅里叶变换红外、电感耦合等离子光谱发生仪、元素分析仪、热重-差热分析、物理分析仪和综合吸附仪等手段对制备的生物质基功能化碳微球进行表征。结果表明,所制备的生物质基功能化碳微球表面富含-COOH、-OH和-S03H官能团,是一种具有低比表面高酸度的微米级无定型碳材料,而且此类材料稳定性能良好,循环使用5次之后,催化效果没有明显降低。以葡萄糖作为原料,制备的葡萄糖基功能化碳微球,对纤维素水解具有很高的催化活性。反应温度、反应时间、催化剂用量、反应物初始量等条件对反应有很大的影响。在优化实验条件下,催化纤维素水解还原糖产率可达72%。GSS与稀硫酸、NKC-9相比,催化还原糖产率略高。且以葡萄糖为原料制备的新型葡萄糖基功能化碳微球具备绿色、无毒、酸度高等优点,而且制备的葡萄糖基功能化碳微球使用温度可达到180℃,同离子交换树脂相比使用温度更高、应用范围更广。在[BMIM][C1]/GSS体系中,制备的催化剂循环使用五次之后,催化剂活性没有明显降低。以纤维素为碳源,制备的纤维基碳微球,未经过化学活化处理的纤维素基功能化碳微球(CSS)在催化果糖制备5-HMF反应中比经过化学活化处理制备的纤维素基功能化碳材料(CSKS)表现出更高的活性。在[BMIM][C1]/CSS体系中,80℃条件下反应10min,果糖转化生成5-HMF的产率可达83%。生物质催化转化中,会生成腐殖酸一类的固体,利用现有的分离技术难以把生物质基功能化碳微球与腐殖酸分离开来。为了解决反应体系分离困难的问题,在已有实验基础上,以纤维素为原料,制备生成了磁性纤维素基功能化碳微球。该材料具有超顺磁的特性,无外加磁场作用下,不表现出磁性,可以稳定的分散于反应体系中。反应结束后,在外加磁场的作用下可以迅速与反应体系分离。该材料在离子液体[BMIM][C1]中,可以高效的催化生物质衍生物发生反应,并可多次循环使用。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK6

【参考文献】