寧波材料所在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化研究方面取得系列新進(jìn)展
在我國向全世界承諾“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的時(shí)代背景下，作為碳中性的生物質(zhì)將會(huì)在資源和能源領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與利用行業(yè)迎來了歷史上最為重要的發(fā)展機(jī)遇期。利用高效催化技術(shù)將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為高附加值的化工平臺(tái)化合物，并在平臺(tái)分子基礎(chǔ)上衍生下游綠色化學(xué)品，將加速碳中和時(shí)代的到來。
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)前期與浙江糖能科技有限公司合作開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的萬噸級5-羥甲基糠醛（HMF）制備工藝和HMF、呋喃二甲醇、四氫呋喃二甲醇、呋喃二醚、雙-(5-甲?；坊?醚等系列產(chǎn)品。近期，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)圍繞六碳糖高值化路線開展研究，在HMF合成、氧化、醚化方面取得系列新進(jìn)展。
在HMF高效合成與分離方面，首次采用二苯基亞砜（DPhSO）作為溶劑和催化劑用于果糖脫水制HMF反應(yīng)，獲得了較高的HMF產(chǎn)率并實(shí)現(xiàn)了溶劑與產(chǎn)物的高效分離，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)亞砜基團(tuán)是果糖脫水催化活性中心。由于DPhSO熔點(diǎn)高且不溶于水，因此在反應(yīng)結(jié)束后可用水從DPhSO中萃取HMF，從而實(shí)現(xiàn)HMF的高效分離，這為低成本生產(chǎn)高純HMF提供了全新的技術(shù)路線（發(fā)明專利2020115020501；Green Chem., 2021, 23, 3241，封底文章）；此外，以廢棄PET塑料和生物質(zhì)為原料制備了碳量子點(diǎn)高效催化劑，用于催化果糖脫水實(shí)現(xiàn)了50℃低溫高效制備HMF，性能穩(wěn)定（Catal. Lett., 2021, 151, 1; Mater. Today Chem., 2021, 20, 100423）。針對HMF在強(qiáng)堿性溶劑中不穩(wěn)定的問題，首次以耐酸堿、熱穩(wěn)定性好、易保存的2,5-呋喃二甲醇（BHMF）為原料，以泡沫鎳上原位生長的CoOOH納米片為催化劑，通過電催化耦合反應(yīng)可同時(shí)高效制備氫氣和2,5-呋喃二甲酸（FDCA），析氫法拉第效率接近100%、FDCA收率可達(dá)90.2%，并獲得了高純FDCA粉末產(chǎn)品，這為降低生物質(zhì)原料儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本、提高產(chǎn)品純度提供了全新思路（發(fā)明專利202010242554.8、PCT/CN2020/082396；Appl. Catal. B, 2021, 297, 120396）；此外，基于近年來團(tuán)隊(duì)在FDCA制備方面的研究和思考，總結(jié)并評述了國內(nèi)外研究者在熱催化、電催化、光催化、光電催化方面所取得的進(jìn)展，提出了該研究領(lǐng)域所存在的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向（J. Energy Chem., 2021, 54, 528）。在HMF醚化方面，采用氨蒸法制備了銅負(fù)載的多級孔分子篩催化劑，在固定床反應(yīng)器上催化HMF一步加氫-醚化制備2,5-呋喃二甲醇二乙基醚（BEMF），BEMF收率可達(dá)79%。結(jié)合反應(yīng)底物切換、氣氛調(diào)變以及催化劑表征，明確了反應(yīng)路徑和催化劑失活機(jī)制（ChemCatChem, 2021, DOI: 10.1002/cctc.202100489）。
上述工作得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-JSC037）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22072170）、浙江省自然科學(xué)基金一般和青年項(xiàng)目（LY19B030003、LQ19B060002）、寧波市重大專項(xiàng)（2018B10056、2019B10096）等項(xiàng)目資助。
生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化路線
(文/圖：新能源所 諶春林 淮麗媛 李明富 胡華雷)