[發(fā)明專利]一種基于溶脹調(diào)控的纖維素基水熱炭負(fù)載鋁催化劑的制備方法及應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010801660.5
• 申請(qǐng)日: 2020-08-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111841521A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張璽銘;劉蔣龍;盛奎川;錢湘群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J21/18
• 分類號(hào): B01J21/18;C07H3/02;C07H1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于溶脹調(diào)控的纖維素基水熱炭負(fù)載鋁催化劑的制備方法及應(yīng)用。以纖維素為原材料，通過(guò)三氟乙酸溶脹預(yù)處理實(shí)現(xiàn)纖維素結(jié)構(gòu)的調(diào)整，與一定的純凈水混合，進(jìn)行水熱炭化處理，通過(guò)過(guò)濾進(jìn)行固液分離得到水熱炭固體；然后將得到的水熱炭固體和氯化鋁水溶液進(jìn)行浸漬處理，然后從室溫開(kāi)始以5℃/min的升溫速率升溫至300?700℃溫度，并且在氮?dú)夥諊蚂褵?h得到水熱炭負(fù)載鋁催化劑。本發(fā)明制備的催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)微波輔助條件下30min實(shí)現(xiàn)26.28％的果糖產(chǎn)率。具有良好的穩(wěn)定性和催化壽命。顯著提高生物質(zhì)精煉中葡萄糖異構(gòu)化催化效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及木質(zhì)纖維綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于溶脹調(diào)控的纖維素基水熱炭負(fù)載鋁催化劑的制備方法及其在生物質(zhì)精煉過(guò)程中葡萄糖異構(gòu)化催化的應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題，因此尋求一種可再生生物質(zhì)利用途徑已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。基于可再生生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高附加值轉(zhuǎn)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。纖維素作為生物質(zhì)中含量最多的碳水化合物，通過(guò)水解所得葡萄糖可制備5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸等高值化學(xué)品。在制備這些高值化學(xué)品的反應(yīng)路徑中，其中葡萄糖異構(gòu)化為果糖是實(shí)現(xiàn)這一生物質(zhì)精煉的重要環(huán)節(jié)。以水熱炭為載體負(fù)載金屬開(kāi)發(fā)用于葡萄糖異構(gòu)的水熱炭基固體催化劑，有利于進(jìn)一步推進(jìn)生物精煉制備化學(xué)品，可為生物質(zhì)能源工業(yè)過(guò)程的高效轉(zhuǎn)化以及解決環(huán)境問(wèn)題和新能源開(kāi)發(fā)開(kāi)辟新途徑。

纖維素在木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)含量達(dá)到35-50％，自然狀態(tài)下，限制纖維有效轉(zhuǎn)化的因素一方面是木質(zhì)素和半纖維素緊密包圍和纏繞組成網(wǎng)狀天然結(jié)構(gòu)，另一方面是纖維素本身具有較高的結(jié)晶度。纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維素在大多數(shù)溶劑中不能夠溶解。以纖維素為原料，基于水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化為功能炭材料并研究水熱轉(zhuǎn)化機(jī)理已經(jīng)有大量的報(bào)道。但是大量的研究都是基于纖維素原料直接制備水熱炭。所制備的水熱在功能化和形態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控方面存在明顯不足。

三氟乙酸(TFA)分子在低溫下以環(huán)狀二聚體的形式侵入纖維素結(jié)晶區(qū)域，將纖維素轉(zhuǎn)化為非結(jié)晶態(tài)，在纖維素表面產(chǎn)生數(shù)量更多的多孔纖維素結(jié)構(gòu)。甚至在低溫條件下，TFA能夠有效的擴(kuò)散侵入纖維素結(jié)晶單元，破壞晶體結(jié)構(gòu)。TFA由于其極低的沸點(diǎn)和揮發(fā)性優(yōu)勢(shì)而容易回收，為打破纖維素結(jié)晶區(qū)分子間氫鍵和降低纖維素結(jié)晶度提供了有效和經(jīng)濟(jì)的途徑。利用三氟乙酸溶脹改變纖維結(jié)晶對(duì)水熱炭形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控還未有相關(guān)報(bào)道。

傳統(tǒng)纖維素?zé)峤馓孔鳛檩d體存在的炭浸出問(wèn)題。相比于熱解炭，水熱過(guò)程中亞臨界水的參與導(dǎo)致不穩(wěn)定炭在浸出到水熱液體中，同時(shí)，水熱炭具有尺寸均一，形貌規(guī)則，含氧官能團(tuán)更豐富的特點(diǎn)。水熱炭的球形結(jié)構(gòu)更有利于金屬鋁分散性提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于溶脹調(diào)控的纖維素基水熱炭負(fù)載鋁催化劑的制備方法及應(yīng)用，該方法采用三氟乙酸溶脹調(diào)控纖維素，通過(guò)浸漬法在水熱炭上負(fù)載金屬鋁，制備出球型結(jié)構(gòu)的Al-生物炭催化劑并應(yīng)用于葡萄糖異構(gòu)化催化，具有高效的催化效果和選擇性，適用于大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于溶脹調(diào)控的纖維素基水熱炭負(fù)載鋁催化劑的制備方法，以纖維素為原材料，通過(guò)三氟乙酸溶脹預(yù)處理實(shí)現(xiàn)纖維素結(jié)構(gòu)的調(diào)整，與一定的純凈水混合，進(jìn)行水熱炭化處理，通過(guò)過(guò)濾進(jìn)行固液分離得到水熱炭固體；然后將得到的水熱炭固體和氯化鋁水溶液進(jìn)行浸漬處理，然后從室溫開(kāi)始以5℃/min的升溫速率升溫至300-700℃溫度，并且在氮?dú)夥諊蚂褵?h得到水熱炭負(fù)載鋁催化劑。

進(jìn)一步地，纖維素經(jīng)過(guò)三氟乙酸溶脹預(yù)處理，溶脹以纖維素和三氟乙酸的質(zhì)量體積比為1g:10ml，在0℃條件下進(jìn)行，并采用真空冷凍干燥實(shí)現(xiàn)溶脹纖維素干燥。溶脹后的纖維素與水按照質(zhì)量比1:10的比例進(jìn)行水熱炭化反應(yīng)。