一种单原子催化剂在木质素催化加氢制芳香化合物中的应用制造技术

本发明专利技术涉及木质素加氢选择解聚，具体地说是一种单原子催化剂在木质素催化加氢制芳香化合物中的应用；该方法以多种β‑O‑4模型分子和有机木质素、木质素磺酸盐、碱木质素为原料，在150℃‑240℃，0.7‑3.0MPa的氢气氛中实现高选择性裂解芳醚键获得芳香族化合物。β‑O‑4模型分子转化率最高达99％，愈创木酚产率最高达93％，苯乙烯收率最高达65％；以不同木质素为原料转化时，芳香族生物油收率为38‑70％。本发明专利技术使用可再生天然生物质为原料，原料廉价且来源广泛；反应过程无需使用无机酸、碱，避免了传统木质素催化大量碱液的产生；具有反应条件温和、活性和选择性高、反应过程环境友好等特征。

Application of a Monoatom Catalyst in the Catalytic Hydrogenation of Lignin to Aromatic Compounds

The present invention relates to lignin hydroselective depolymerization, in particular to the application of a monoatomic catalyst in lignin catalytic hydrogenation to aromatic compounds. The method uses a variety of beta O_4 model molecules and organic lignin, lignosulfonate and alkali lignin as raw materials to achieve highly selective cracking of aromatic ether bonds to obtain aromatization in a hydrogen atmosphere of 150 240 (?) C and 0.7 3.0 MPa. Things. The highest molecular conversion of beta O_4 model was 99%, guaiacol yield was 93%, styrene yield was 65%, and aromatic bio-oil yield was 38_70% when different lignin was used as raw material. The invention uses renewable natural biomass as raw material, which is cheap and widely sourced; the reaction process does not need inorganic acid and alkali, avoiding the production of large amounts of alkali liquor catalyzed by traditional lignin; and has the characteristics of mild reaction conditions, high activity and selectivity, and friendly reaction process environment.

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂在木质素催化加氢制芳香化合物中的应用
本专利技术涉及木质素解聚制备芳香族化合物，具体地说是一种单原子催化剂M1/MoS2催化剂(M＝Fe,Ni,Ru,Rh,Pd,Pt,Ir)催化木质素资源裂解制备芳香族化合物的方法。
技术介绍
生物质具有环境友好和可再生等性质，可以实现CO2的零排放，是全球最大的唯一可以转变为液态烃类的能源材料。以生物质为原料制备液体燃料和化学品，对于解决化石资源短缺和地区分配不均、减轻环境污染、实现经济可持续发展具有重大意义。木质素是作为生物质资源重要组成部分，占植物干重的15-30％，是自然界中唯一可以提供芳香化学品的可再生碳资源。目前，造纸行业中每年产生的木质素，只有不到2％的被用于工业生产，其余大部分都被任意排入河流或者直接燃烧，这不仅造成了资源的浪费，同时也给环境带了重大的压力，由此产生的废水占到全国工业废水量的30％，是我国工业废水控制的第一对象。芳香族化合物在化学工业中有极为重要的应用，例如苯酚和对苯二甲酸及其衍生物不仅是应用广泛的大宗化学品，同时也是生产树脂、橡胶、医药中间体及其它精细化学品的重要原料。从结构上看，木质素是以芳环为结构主体的三维网状聚合物，结构单元之间通过醚键或碳碳键相连。选择性切断木质素结构单元之间的链接可实现由木质素资源制备芳香族化合物，从而作为化石资源的替代品获得应用，在一定程度上减轻世界能源危机的窘境，同时也避免了废弃“黑液”的排放。目前木质素的选择解聚主要包括酸碱解聚、催化氢化、氧化解聚、高温热解及生物催化解聚等几种方法(ChemicalReviews,2015,15,11559-11624)。其中选择催化氢解是不破坏芳环情况下选择切断木质素芳醚键获得酚类化合物的一种解聚策略，是木质素利用的关键途径之一。催化氢解反应中，贵金属催化剂由于具有较强的加氢活性，被大量用于木质素氢解反应研究中。北京大学寇元教授课题组较早用Pd/C，Pt/C，Ru/C等作催化剂，以磷酸为助剂，氢解白桦木质素获得单酚类产率46.4％。Lercher课题组最近对贵金属催化木质素及模型化合物的涉氢反应机理进行了大量研究，发现该过程包括了复杂的水解、加氢、氢解、加氢脱氧以及聚合等过程(ChemCatChem2012,4,64.)。基于此，在贵金属催化剂作用下，木质素转化难以控制在芳醚键断裂步骤，往往伴随苯环加氢等反应发生，得到酚类和烷烃的混合产物，导致原子经济性差。从文献的调研结果看，目前报道的木质素加氢解聚和氧化解聚多以Pd、Pt等贵金属为催化剂，反应条件相对苛刻，通常需要额外添加酸或碱，对环境造成严重污染。本专利技术以单原子M1/MoS2(M＝Fe,Ni,Ru,Rh,Pd,Pt,Ir)为催化剂，利用单原子催化剂兼具均相催化剂单一活性位点与多相催化剂稳定、易分离、可重复使用的特点，提高原子利用率，为木质素转化制备芳香化学品提供绿色高效的新途径。
技术实现思路
单原子M1/MoS2催化剂催化木质素选择解聚制备芳香族化合物的方法，其特征在于：在具有形成氢键能力的溶剂中，单原子催化剂M1/MoS2于氢气条件下催化木质素或木质素模型分子在密闭反应釜中高效解聚制备苯酚基、紫丁香基和愈创木酚基芳香族化合物。所述木质素为有机木质素、木质素磺酸钠及碱木质素；所述木质素模型分子为具有β-O-4链接的模型化合物。所述具有形成氢键能力的溶剂为水、甲醇、二氧六环、四氢呋喃、乙醇、正己烷、环己烷、十二烷。所述反应底物木质素及木质素模型分子与催化剂的质量比为20:1-2:1，室温下反应釜中填充氢气的初始压力为0.7MPa-3MPa；反应温度为150-240℃；反应时间为4h–12h。所述木质素及模型底物原料与催化剂的质量比优选5:1，所述室温下反应釜中填充氢气的初始压力优选为0.7MPa；反应温度优选240℃；反应时间优选为10h。所述单原子M1/MoS2催化剂为负载型催化剂；M1＝Fe,Ni,Ru,Rh,Pd,Pt,Ir中的一种，质量负载量为1％-0.5％。所述负载型单原子M1/MoS2催化剂活性金属的质量负载量优选1％。与现有技术相比，本专利技术有如下优点：1.与现有石油基工业合成路线制备芳香化合物相比，本专利技术的原料木质素是自然界中最丰富的天然可再生芳香化合物资源，来源广泛，成本低廉，不消耗化石资源，具有原料可再生的优点，符合可持续发展的要求。2.本专利技术为工业木质素如木质素磺酸盐、碱木质素的利用提供了新途径，减少了因工业木质素排放和焚烧所造成的污染。3.催化剂以单原子铁、镍、钌、铑、钯、铂、铱为主要活性组分，载体MoS2与其协同催化，同时金属负载量低，原子利用率高，活性和选择性高。4.反应过程中不使用无机酸、碱，避免了木质素降解工艺中常见的环境污染问题。下面通过具体实施例予以进一步的详细说明。具体实施方式实施例1单原子M1/MoS2催化剂(M＝Fe,Ni,Ru,Rh,Pd,Pt,Ir)的具体制备方法如下：单原子Ni1/MoS2的制备：四水合钼酸铵0.32g，硫粉0.12g加入到57mL油胺中室温搅拌10min,随后将0.0145gNiCl3·6H2O充分溶于3mL水中的溶液加入到上述溶液中，室温搅拌1h，然后转入100mL不锈钢反应釜中，升温至220℃反应48h。随后离心过滤，用乙醇和环己烷洗涤数次，直到催化剂表面的配体油胺洗掉得到黑色固体，将收集到的黑色固体真空干燥10小时。Fe1,Ru1,Rh1,Pd1,Pt1,Ir1/MoS2的制备:类似Ni1/MoS2的制备过程，分别用0.014gFeCl3·6H2O,0.0065gRuCl3·H2O,0.0048gPdCl2,0.0061gH2PtCl6,0.0078gH2IrCl6·6H2O代替NiCl3·6H2O。MoS2的制备：四水合钼酸铵0.32g，硫粉0.12g加入到57mL油胺中室温搅拌10min,将3mL水中的溶液加入到上述溶液中，室温搅拌1h，然后转入100mL不锈钢反应釜中，升温至220℃反应48h。随后离心过滤，用乙醇和环己烷洗涤数次，直到催化剂表面的配体油胺洗掉得到黑色固体，将收集到的黑色固体真空干燥10小时。纳米Ni/MoS2的制备：将上述合成的MoS20.3g分散于四氢呋喃和甲醇的混合液中，然后将溶液置于冰水浴中，加入0.02gNiCl3·6H2O充分搅拌10小时，加入0.15gNaBH4，然后反应24小时，离心分离得到黑色固体，用用乙醇和环己烷洗涤数次，将收集到的黑色固体真空干燥10小时。纳米Fe,Ru,Rh,Pd,Pt,Ir/MoS2的制备:类似Ni/MoS2的制备过程，分别用0.023gFeCl3·6H2O,0.018gRuCl3·H2O,0.015gPdCl2,0.01gH2PtCl6,0.011gH2IrCl6·6H2O代替NiCl3·6H2O。实施例2-22单原子M1/MoS2催化剂催化木质素模型分子2-(2-甲氧基苯氧基)-1-苯基乙醇的解聚反应：在反应釜中将100mg木质素模型分子与单原子M/MoS2催化剂20mg分别溶于30mL甲醇中，用氢气置换六次后于0.7MPa状态将反应釜密闭并升温至150℃-240℃，以750转/min的速度进行搅拌反应4h-12h。反应结束后，降至室温，上层清液过滤后取样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单原子催化剂在木质素催化加氢制芳香化合物中的应用，是采用单原子M1/MoS2催化剂催化木质素选择解聚制备芳香族化合物的方法，其特征在于：在具有形成氢键能力的溶剂中，单原子催化剂M1/MoS2于氢气条件下催化木质素或木质素模型分子在密闭反应釜中高效解聚制备苯酚基、紫丁香基和愈创木酚基芳香族化合物。

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂在木质素催化加氢制芳香化合物中的应用，是采用单原子M1/MoS2催化剂催化木质素选择解聚制备芳香族化合物的方法，其特征在于：在具有形成氢键能力的溶剂中，单原子催化剂M1/MoS2于氢气条件下催化木质素或木质素模型分子在密闭反应釜中高效解聚制备苯酚基、紫丁香基和愈创木酚基芳香族化合物。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木质素为有机木质素、木质素磺酸钠及碱木质素中的一种或二种以上；所述木质素模型分子为具有β-O-4链接的模型化合物。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述具有形成氢键能力的溶剂为水、甲醇、二氧六环、四氢呋喃、乙醇、正己烷、环己烷、十二烷中的一种或二种以上。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应底物...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌志，季建伟，代弢，王爱琴，张涛，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21