铜基催化剂的可控制备和结构表征及生物质衍生物氢解性能

摘要

随着人类社会的发展，对能源的需求日益剧增，而化石燃料存储日益枯竭，且其利用和转化过程产生大量温室气体，给环境带来巨大的压力，因此开发可再生生物质资源的绿色转化过程，将其转化为高附加值的化学品及燃料等，是解决以上问题的有效途径之一。1,2-丙二醇和乙二醇等多元醇由于具有广泛的用途，研究生物质催化转化为此类多元醇的催化剂及转化过程具有重要的意义。
　　采用环氧化物辅助的溶胶-凝胶法实现了Cu-Cr催化剂的可控制备。首先通过优化凝胶合成参数，从热力学及动力学角度，探讨了凝胶形成的必要条件。随后控制凝胶的热处理气氛，可合成出富含CuCr2O4-Cr2O3相或Cu-Cr2O3相的催化剂，且发现尖晶石CuCr2O4的生成能够增强催化剂的甘油氢解性能。此外通过调节Cu/Cr摩尔组成，即可制备出具有CuCr2O4/CuO、CuCr2O4和CuCr2O4/Cr2O3独特结构和催化性能的催化剂，并采用纯甘油氢解探针反应揭示了结构与催化性能之间的内在规律。
　　进而对Cu-Cr催化剂在甘油氢解反应中的活性位及反应路径进行了系统详细的研究。首先设计并探究了焙烧及还原过程对催化剂体相及表面物相组成的影响，并结合原位XPS及N2O滴定检测手段，分析了金属铜活性表面积及表面Cu0/Cr+与甘油氢解性能之间的规律，从而揭示Cu0和Cu+均为活性中心，且存在一定程度的协同作用。甘油氢解反应路径研究表明1，2-丙二醇不仅可通过甘油直接脱水加氢而得，还可通过甘油脱氢生成甘油醛，然后脱水加氢得到。同时发现醇可作为氢供体，H+转移反应能够促使1，2-丙二醇发生进一步氢解反应，生成正丙醇和异丙醇等。
　　Cu-Cr催化剂上高浓度纤维素及葡萄糖氢解反应结果表明Cu-Cr催化剂能够有效的抑制氢解反应中缩合反应的发生，阻止积碳的形成。高浓度纤维素在Cu-Cr催化剂上可实现完全转化，主产物为1，2-丙二醇，但添加碱后乙二醇的收率明显增加。进而以葡萄糖为模型化合物，研究了碱在氢解反应中的作用机理，发现氢解反应不仅与OH-浓度有关还与碱金属离子的半径和电荷数量有关。
　　为了避免有毒铬的使用，采用溶胶-凝胶法制备了具有铁磁性的Cu-Fe催化剂。结合XRD和穆斯堡尔谱等表征结果，发现随焙烧温度的升高，催化剂物相由CuO-Fe2O3向CuFe2O4，及c-CuFe2O4到t-CuFe2O4的转变过程。甘油氢解评测结果显示Cu-Fe催化剂较Cu-Cr催化剂具有更加优异的催化性能。

目录

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摘要

CONTENTS

图表目录

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 纤维素氢解的研究现状

1．2．1 纤维素的结构及性质

1．2．2 选择氢解制六碳糖醇

1．2．3 选择氢解制低碳多元醇

1．3 葡萄糖及山梨醇氢解的研究现状

1．3．1 葡萄糖选择氢解

1．3．2 山梨醇选择氢解

1．3．3 多元醇氢解机理

1．4 甘油氢解的研究现状

1．4．1 选择氢解制1，2-丙二醇及1，3-丙二醇

1．4．2 选择氢解制正丙醇及异丙醇

1．4．3 选择氢解制乙二醇

1．5 铜基催化剂的制备

1．5．1 溶胶-凝胶法

1．5．2 沉淀法

1．5．3 模板法

1．5．4 浸渍法

1．6 论文的研究思路及主要内容

2 实验部分

2．1 催化剂的合成

2．1．1 实验试剂

2．1．2 催化剂合成

2．2 催化剂的表征

2．3 催化剂活性评测

3 溶胶-凝胶法制备Cu-Cr催化剂及甘油氢解性能

3．1 前言

3．2 制备参数对催化剂结构的影响

3．2．1 凝胶温度的影响

3．2．2 水含量的影响

3．2．3 老化时间的影响

3．2．4 焙烧气氛的影响

3．2．5 Cu／Cr摩尔比的影响

3．3 甘油氢解性能

3．3．1 甘油水溶液氢解性能

3．3．2 纯甘油氢解性能

3．4 小结

4 Cu-Cr催化剂上甘油氢解反应机理

4．1 前言

4．2 催化剂活性中心

4．2．1 催化剂焙烧温度对氨解性能的影响

4．2．2 催化剂还原温度对氢解性能的影响

4．2．3 催化剂活性中心讨论

4．2．4 CuCr2O4的形成在氢解中的作用

4．3 甘油氢解反应机理

4．3．1 Cu／Cr摩尔比对氢解性能的影响

4．3．2 反应时间对氢解性能的影响

4．3．3 反应温度对氢解性能的影响

4．3．4 反应压力对氢解性能的影响

4．3．5 甘油浓度对氢解性能的影响

4．3．6 传质对氢解性能的影响

4．3．7 甘油氯解反应路径讨论

4．4 小结

5 高浓度纤维素及葡萄糖在Cu-Cr催化剂上氢解性能

5．1 前言

5．2 纤维素氢解性能

5．3 葡萄糖氢解性能

5．3．1 葡萄糖氢解过程

5．3．2 碱在葡萄糖氢解中的作用

5．3．3 Cu-Cr催化剂的可循环利用性

5．4 小结

6 溶胶-凝胶法制备Cu-Fe催化剂及甘油氢解性能

6．1 前言

6．2 Cu-Fe催化剂结构表征

6．3 甘油氢解性能

6．4 小结

结论与展望

参考文献

创新点摘要

致谢

作者简介