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纳米纤维素基固体酸的制备及其催化葡萄糖转化5-羟甲基糠醛的研究

杨帆
华南理工大学
引用
生物炼制是促进环境可持续发展和能源经济转变的重大战略需求。5-羟甲基糠醛(5-HMF)是最主要的生物质炼制平台化合物,可用于制备多种高附加值产品。固体酸催化葡萄糖反应是目前最具发展前景的5-HMF制备技术,但仍存在催化效率低、产物得率不高等突出问题。本研究以纳米纤维素作为固体酸催化剂载体,利用其丰富孔隙结构和表面反应位点提高固体酸负载量,从而改进5-HMF的催化转化效率。主要研究内容和结果如下:  (1)纳米纤维素气凝胶载体的制备与表征。以两种纳米纤维素CNF和CNC为主要原料,确定了纳米纤维素碳基质的溶胶-凝胶转换条件,即CNF浓度0.6%(w/w)、Ca2+添加量10mM,Ca2+与CNF通过分子内和分子间的氢键交联形成稳定的3-D凝胶网络结构;向CNF中掺杂CNC可促进纳米纤维素气凝胶形成,确定了CNF与CNC质量比为3∶1,所得到的气凝胶FCA-3的孔结构规整,比表面积为259.61m2/g,平均孔容为0.76cm3/g,平均孔径为11.31nm,其内部存在大量20nm左右的介孔。  (2)纳米纤维素基固体酸的制备。基于上一章制备的FCA-3气凝胶,通过碳化与磺化工艺,获得纳米纤维素基固体酸CFCA-SO3H;再通过负载Al和Ti的氧化物,以得到具有Br?nsted/Lewis酸活性位点的纳米纤维素基固体酸CFCA-SO3H/Al-Ti。CFCA-SO3H总酸密度为1.65mmol/g,CFCA-SO3H/Al-Ti的总酸密度为1.60mmol/g;SEM和BET分析表明,CFCA-SO3H的比表面积为278.33m2/g,孔结构保留完好,CFCA-SO3H/Al-Ti的比表面积略有下降(221.31m2/g);TG分析表明,两种固体酸在100-200℃具有良好的热稳定性;XPS分析揭示CFCA-SO3H/Al-Ti中Al和Ti以多价态氧化物的形式存在,提供不同强度的Lewis酸反应活性位点。  (3)纳米纤维素基固体酸催化葡萄糖制取5-HMF的研究。以葡萄糖为底物,H2O/DMSO为溶剂体系,通过使用不同条件下制备的CFCA-SO3H进行催化反应,确定了其制备条件:CNF/CNC=3∶1(w/w),碳化温度400℃,碳化时间2h,磺化温度150℃,磺化时间15h。以筛选制备的CFCA-SO3H在底物浓度50%,V(H2O)/V(DMSO)=1∶2,反应温度140℃,反应时间14h,催化剂添加量20%的反应条件下最终获得63.4%的5-HMF产率。通过负载不同Lewis酸,确定了同时负载Al-Ti氧化物的CFCA-SO3H/Al-Ti具有最优的催化效果,最终获得78.6%的5-HMF产率。纳米纤维素基固体酸在重复使用5次之后,在物理/化学结构层面保持稳定,催化性能保持在原有80%以上。

5-羟甲基糠醛;制备工艺;纳米纤维素基固体酸;葡萄糖;催化转化

华南理工大学

硕士

制糖工程

王兆梅

2022

中文

TQ251.11

2022-12-23(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)

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