[發明專利]一種光催化氧化裂解木質素C-O鍵及苯環的方法

有效

• 申請號: 202110028278.X
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN113275038B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 關建郁;曹銘隆;李雪輝;吳可嘉;劉思潔;龍金星
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B01J31/06
• 分類號: B01J31/06;B01J23/745;B01J35/08;B01J37/34;B01J37/10;B01J37/08
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

本發明公開了一種光催化氧化裂解木質素C?O鍵及苯環的方法。該方法在溶劑中，以木質素和/或木質素模型化合物為反應底物，通入氣體，在光源激發的條件下，使用木質素磺酸鈉改性的二氧化鈦包覆的四氧化三鐵復合催化劑并耦合過氧化氫的作用，在20?60℃的溫度下反應1?12h，進行木質素的C?O鍵以及苯環的選擇性裂解，生成芳香化合物以及酯類鏈烴。本發明反應條件溫和，催化劑與反應體系易分離且可以實現多次循環適用，反應底物的適用范圍廣泛，實現反應底物65?100％轉化率，可斷裂木質素的C?O鍵以及苯環結構，對于木質素的高值化利用以及苯系污染物的處理都具有重要價值。

技術領域

本發明涉及光催化，特別是涉及一種光催化氧化裂解木質素C-O鍵及苯環的方法，屬于生物質資源氧化解聚及高值化利用領域。

背景技術

隨著生產力的發展，人類對能源需求愈發加劇。但傳統能源如石油、煤炭和天然氣的大量使用也帶來一系列的環境問題。為了緩解日益嚴重的生態危機，大力提升清潔、可再生能源應用比例，推動生物質資源的價值化利用成為了社會的迫切需要。

木質纖維素是生物質的具體表現形式之一，全球年產量在千億噸水平，其主要由纖維素(40-50wt％)、半纖維素(20-30wt％)和木質素(15-25wt％)構成。生物質中的木質素作為唯一大量且天然存在的具有芳香環結構的可再生資源，主要由三種結構單體組成的三維無定型聚合物，是能從天然資源中獲得芳香化合物的唯一原料。對木質素進行價值化利用可以生成燃油或芳香化學品等，可以有效減少對不可再生資源的依賴。

現階段對于木質素的利用還嚴重不足，大量的木質素作為工業制漿的廢棄物隨廢水直接排入江河，不僅白白浪費掉珍貴的資源，還對環境造成嚴重的污染。針對這個問題，研究者們對于木質素的解聚利用已經開發出了如酸堿催化解聚/水解、(快速)熱解、氫化裂解、氧化裂解、離子液體解聚等多種催化方法，但這些木質素解聚利用的傳統方式也存在著一定的問題，例如采用(快速)熱解法將生物質轉化為生物燃料和生物炭的熱解溫度大多在573-1073K區間，生物質加氫裂解法則一般需要在2.0-5.5MPa的高壓下進行，都存在反應條件苛刻、能源消耗大的問題。

與傳統的化學催化方法相比，由于利用的是光子而不是熱能，光催化反應通常是在環境壓力及溫度下進行的，被認為是一個干凈、高效、節能、技術簡單、成本較低的良性生態過程。在光催化劑經歷的氧化再生循環或還原再生循環過程中，主要的活性物質是光激發后產生的具有強氧化性的光生空穴和強還原性的光生電子，并且這兩者會分別進一步與相應的電子供體和電子受體(如水和氧氣等)形成·OH和·O₂^-等活性自由基，推動反應進行。光催化過程在污染物降解、有機化合物合成、產氫和二氧化碳還原等方面得到了廣泛的研究。特別是在降解有機物方面，取得了越來越多具有重要價值的研究成果。

光催化在木質素解聚的相關領域也取得了較好的進展。中國發明專利CN106587323 A公開了一種光催化體系及降解木素的方法，將納米二氧化鈦和過氧化氫聯合使用作為降解木素的光催化體系，在40-80℃和近紅外光或/和日光照條件下能迅速降解造紙廢水中木質素，實現90％以上的降解率；在該反應當中，強氧化作用的羥基自由基是主要的活性物質，但羥基自由基一種非選擇性的自由基，可將廢水中的木素類有機物快速光催化降解，直到深度礦化生成水和二氧化碳，這就導致了體系的反應可控性較低，不能得到有價值的平臺化合物。