[发明专利]一种巨菌草多孔炭基固体催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种巨菌草多孔炭基固体催化剂及其制备方法，属于固体催化剂的制备技术领域。本发明的巨菌草多孔炭基固体催化剂的制备方法为在常压下将巨菌草热解得到预炭化产物；用5‑磺基水杨酸活化预炭化产物得到活化前驱体，通过绝氧热解工艺制得巨菌草基多孔炭载体，最后采用2,5‑二氨基‑1,4‑苯二磺酸重氮盐作为磺化剂制备巨菌草多孔炭基固体催化剂。所制备的催化剂可用于纤维素的水解反应，还原糖产率较高。本发明制备方法简便易行、催化活性高、热稳定性好，且主要原料可再生、成本低、环境友好。该方法为固体催化剂的制备提供了新途径。

技术领域

本发明属于固体催化剂的制备技术领域，更具体涉及一种巨菌草多孔炭基固体催化剂及其制备方法。

背景技术

纤维素水解是生物质资源转化利用中最为关键的一步，如在转化为生物乙醇或者其他化学品时，首先要将其水解成葡萄糖。传统的纤维素水解方法主要有酸水解、酶解、超临界水解等，但这些方法分别存在对设备腐蚀严重、成本较高、反应条件苛刻等弊端。因此，开发一种绿色、高效、易分离的非均相固体催化剂很有必要。从原料来源和环境来考虑，利用生物质不完全炭化制备炭基固体催化剂具有一定的研究价值和应用价值。

作为理想的催化剂载体必须具备比表面积高、孔容量大、化学稳定性优异等特点，而生物质多孔炭刚好满足以上几点特征：1、热力学性质稳定，耐高温；2、化学结构稳定，耐酸碱；3、比表面积大，能更有效的负载磺酸基团；4、表面官能团丰富，易于与磺酸基团发生反应，形成化学键，从而负载上磺酸基团。近几年，以葡萄糖、蔗糖、纤维素、玉米芯和淀粉等各种生物质作为炭载体制备生物质炭基固体催化剂均有报道，但其表面结构多半为球状；而作为纤维素含量较高、木质素含量较低的巨菌草炭化后在电镜下呈现多孔结构，具有较高的比表面，因此，它是生物质多孔炭的理想原料。

巨菌草属于单子叶多年生植物，对温度和土壤要求不高，适应能力强，植株高大，生物量大，一年可以长高5-7m，最高产量达300t/m²，为已知人工种植植物的最高产量。若以巨菌草为原料，研发出具有优异性能、高附加值的衍生物，可进一步扩大巨菌草的经济效益和环境效益。目前，巨菌草在生物质发电、纤维板、生物乙醇等领域已有应用，而在催化剂载体方面鲜有报道。本发明以来源丰富且可再生的巨菌草为原料，将其热解炭化为多孔炭载体，接着用2,5-二氨基对苯二磺酸重氮盐磺化制备生物质多孔炭基固体催化剂，并应用于纤维素的水解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种巨菌草多孔炭基固体催化剂及其制备方法，解决产物与催化剂分离难度大、回收能力差以及催化效率低的问题。所使用的活化剂为5-磺基水杨酸，不仅可以提高催化剂酸量，而且还可以通过调整工艺参数来有效控制孔径大小；所制得的巨菌草多孔炭基固体催化剂具有催化活性高、热稳定性好、易回收利用等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种巨菌草多孔炭基固体催化剂及其制备方法，包括以下步骤：

（1）预炭化产物的制备：将巨菌草原料置于通入N₂的管式炉中，300 ℃隔绝氧加热，加热速率为3~10 ℃ min^-1，在常压下热解1~3 h后降至室温，得到预炭化产物；

（2）活化前驱体的制备：将获得的预炭化产物与活化剂进行以质量比1:5~5:1混合，加入适量去离子水，搅拌2 h，该溶液在60 ℃下干燥至恒重，得到活化前驱体；

（3）巨菌草基多孔炭载体的制备：将活化前驱体置于通入N₂的管式炉中，升温至400~550 ℃隔绝氧加热，加热速率为3~10 ℃ min^-1，在常压下充分热解3~6 h后降至室温，获得的黑色固体粉末经过去离子水洗涤，在60 ℃下干燥至恒重，得到巨菌草基多孔炭载体。