[发明专利]一种生物质基水热炭负载纳米铝催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种生物质基水热炭负载纳米铝催化剂的制备方法及其应用。以丰富低廉的农业废弃物玉米秸秆为原料，玉米秸秆经过风干粉碎后，一定量的玉米秸秆和一定浓度的氯化铝溶液混合，通过一锅法水热炭化处理一定时间得到负载纳米铝的水热炭固体；然后将得到的水热炭固体进行300‑500℃有氧煅烧1h得到水热炭负载纳米铝催化剂。本发明制备的催化剂在180℃5min实现果糖42.6％的产率和83.6％的选择性。具有高效的催化活性、选择性和循环特性。显著增加葡萄糖异构化为果糖的催化效果。

技术领域

本发明涉及生物质综合利用技术领域，尤其涉及一种生物质基水热炭负载纳米铝催化剂的制备方法及其应用在葡萄糖异构化为果糖中的应用。

背景技术

利用可再生生物质资源合成高附加值燃料和平台化合物为解决日益严峻的环境和能源问题提供了有效途径。因此，大量研究致力于实现木质纤维素的可持续化学转化，深入发掘其在燃料和工业化学品的重要潜力，以期探索一条实现木质纤维素高效转化的经济环保型技术路线。

纤维素、淀粉和半纤维经过水解能够很容易的得到葡萄糖，葡萄糖作为一种丰富的且技术路线成熟的平台化合物，可以转化为各种高附加值的化学品，例如乙酰丙酸(LA)、5-羟甲基糠醛(HMF)等。然而，大量研究表明，葡萄糖转化LA和HMF主要经过以下过程：i)葡萄糖异构化果糖；ii)果糖水解为HMF；iii)HMF进一步水解为LA和甲酸。因此在葡萄糖转化为理想化学品的过程中，葡萄糖异构化为果糖为这一生物质精炼过程的限速和关键环节。目前，这一过程的工业化生产主要通过生物酶法实现，鉴于酶的不稳定性，这一技术路径仍然面低稳定性和酶无法重复利用等技术难题。部分研究致力于均相催化剂的研究，但是均相体系从一开始就面临难以分离的问题。因此，绿色经济的替代工艺实现葡萄糖异构亟待解决。特别是无有机溶剂的情况下，研发高活性和高选择性的催化剂的一直是这一生物质精炼过程的挑战。

以水作为反应溶剂探索不同的负载型催化剂对葡萄糖异构化的效果已经有大量的研究，包括沸石、金属有机框架(Metal–Organic Frameworks,MOFS)、水滑石等。然而，鉴于炭基载体的良好的剪裁特性、孔径特性以及丰富的表面官能团，在催化剂载体方面表现出明显的优势。木质纤维素通过水热炭化的固体产物水热炭是一种理想的催化剂载体。此外，在一锅法水热过程中，金属前驱体生物质以原位结合的方式，使得金属纳米粒子与水热产物水热炭形成稳定的化学结合和并且均分分布在水热炭的表面。同时，一锅法水热合成的炭基催化剂在解决炭基催化剂的碳析出和金属析出方面表现出明显优势。到目前为止，炭基负载型葡萄糖异构化催化主要通过浸渍法实现，通过一锅法实现纳米级金属前驱体负载并解析其在葡萄糖异构化催化中的机理具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种生物质基水热炭负载纳米铝催化剂的制备方法及其应用，该方法以玉米秸秆为原料，通过一锅法在水热炭上负载金属铝，进一步煅烧调控负载铝的形态结构，制备纳米级铝-生物炭催化剂并应用于生物质精炼过程中葡萄糖到果糖的异构化催化，所制备的催化剂制备方法简单，价格低廉，并且具有高效的催化活性和稳定性，适用于工业生产大和应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种生物质基水热炭负载纳米铝催化剂的制备方法，以玉米秸秆为原材料，，与一定的AlCl₃溶液进行混合，进行一锅法水热炭化处理，通过过滤进行固液分离得到含铝水热炭固体；然后将得到的水热炭固体进行不同含氧条件和温度的煅烧，得到负载纳米铝水热炭负载铝催化剂。

进一步地，采集的玉米秸秆经过清洗去除表面灰尘，风干粉碎过40目筛子。

进一步地，粉碎的玉米秸秆粉末和0.5mol/l的AlCl₃溶液按照1g/10ml的质量体积比进行混合，然后超声震荡使其充分混匀。

进一步地，水热炭化温度为160-200℃，保温时间4h，转速60r/min。