寧波材料所在多相催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究方面取得系列進(jìn)展
淀粉、纖維素等多糖是重要的可再生資源，其深度開發(fā)將顯著推動(dòng)傳統(tǒng)化工、能源、材料領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，對積極應(yīng)對日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染、化石能源枯竭問題具有重要意義。利用生物化工或高效催化技術(shù)將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為單糖，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成高附加值的化工平臺化合物，有望衍生出大量具備新穎結(jié)構(gòu)與功能的綠色化學(xué)品。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非金屬催化團(tuán)隊(duì)以淀粉來源的果糖為原料，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效多相催化制取5-羥甲基糠醛（HMF）工藝，率先在千噸級規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了催化劑、溶劑循環(huán)套用，并與浙江糖能科技有限公司合作開發(fā)了HMF、呋喃二甲醇、呋喃二醚、OBMF等產(chǎn)品。在前期產(chǎn)業(yè)化研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)圍繞六碳糖高值化路線依次開展了單糖異構(gòu)、HMF合成/氧化/還原/胺化催化劑研究。
在單糖異構(gòu)方面，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用綠色合成方法制備了尺寸均勻、體系穩(wěn)定的氧化鉬量子點(diǎn)，在水相中可將葡萄糖高效轉(zhuǎn)化為甘露糖，該無機(jī)納米酶催化劑的本征反應(yīng)速率超過了生物酶催化劑，與浙江工業(yè)大學(xué)王建國教授團(tuán)隊(duì)合作通過理論計(jì)算解析了基元反應(yīng)路徑；量子點(diǎn)合成與間歇釜反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)20-50升/批規(guī)模放大，開發(fā)了電場束縛連續(xù)流反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)催化劑固載，該工藝還可用于木糖制來蘇糖、阿拉伯糖制核糖等反應(yīng)（ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.9b13848）。在HMF合成方面，通過離子熱法合成了系列銅摻雜的AlPO-5分子篩催化劑，微量銅的引入可以顯著調(diào)變分子篩的酸性并提升果糖脫水制取HMF的催化性能（RSC Adv., 2019, 9, 32848）。在HMF衍生化方面，利用多級孔ZSM-5分子篩在固定床反應(yīng)器中將呋喃二甲醇高效轉(zhuǎn)化為呋喃二甲醇二乙醚，該催化劑具有較高的反應(yīng)活性與穩(wěn)定性，所得產(chǎn)品可用于生產(chǎn)成品油添加劑、可降解聚合物單體、綠色溶劑等（ChemCatChem, 2019, 11, 2179；Appl. Catal. A, 2020, 590, 25）；通過水熱合成法在泡沫鎳表面負(fù)載松針狀Co3O4納米線，該催化劑在電催化氧化HMF制取呋喃二甲酸反應(yīng)中體現(xiàn)出優(yōu)異性能，呋喃二甲酸產(chǎn)率可達(dá)96.8%、法拉第效率達(dá)96.6%，該過程將HMF氧化與電解水制氫過程進(jìn)行耦合，在充分利用HMF氧化降低陽極過電勢的同時(shí)還可高效副產(chǎn)氫氣（Green Chemistry, DOI: 10.1039/C9GC02880C）；與華東理工大學(xué)周生虎教授團(tuán)隊(duì)合作，采用共沉淀方法制備了氧化鋁負(fù)載的銅鎳合金催化劑，可催化呋喃二甲醇胺化制取芳香族呋喃二甲胺化合物，有望用于醫(yī)藥中間體、殺蟲劑、染料等領(lǐng)域（Ind. Eng. Chem. Res., 2019, 58, 6309）。
上述成果近期分別發(fā)表在Green Chemistry、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Catal. A、ChemCatChem、RSC Adv.、Ind. Eng. Chem. Res.等國際生物質(zhì)、催化與化工期刊。本工作得到了中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDRW-CN-2016-1）、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-JSC037）、盧嘉錫國際創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（rczx0800）、浙江省杰青項(xiàng)目（LR16B030001）、寧波市重大專項(xiàng)（2018B10056）等項(xiàng)目資助。
生物質(zhì)轉(zhuǎn)化催化劑及反應(yīng)性能
?。ㄎ?圖：新能源所 諶春林 胡華雷）