木质纤维素生物质催化转化为高附加值产品的研究进展

从纤维素、半纤维素和木质素三种组分的角度,综述了木质纤维素生物质催化转化为高附加值产品的研究进展。对木质纤维素各组分可转化成的高附加值产品进行了简要的分类介绍,为木质纤维素的有效利用提供重要的可行性参考途径。重点归纳总结了糠醛、酯类、多元醇、烷烃等产品由木质纤维素催化转化而来的主要条件因素,并对各类催化剂的催化性能进行了简要的分析评价。最后对如何提高木质纤维素生物质催化转化为高附加值产品的效率提出了建议和思路。     

木质素的催化加氢转化

木质素是来源于木质纤维素的一种重要的可再生生物质资源,可用于制备化学品和燃料。由于木质素本身结构的复杂性和稳定性使其难以有效利用。目前大量的制浆和造纸工业的木质素没有得到有效利用,大部分用于燃烧供能,并且造成了一定程度的环境污染。为了保护环境、实现可持续发展,催化转化木质素制备高附加值化学品成为了研究的热点。木质素转化的研究众多,但是进展依然相对缓慢。目前主要的转化方法包括碱催化解聚、酸催化解聚、热化学转化、加氢处理解聚、氧化解聚等。由于加氢处理解聚木质素可以获得低聚木质素、酚类等有价值的化学品和制备烃类燃料,是目前研究的热点和最有效的方法之一。但是,催化剂失活和解聚产物产率不高等依然是需要进一步解决的问题。基于此,梳理了近年来木质素加氢处理主要的催化体系和相关结果,提出了尚待解决的问题,以期为今后建立有效的木质素解聚体系并实现其高值化利用的相关研究提供参考。     

木质素的催化加氢转化

木质素是来源于木质纤维素的一种重要的可再生生物质资源,可用于制备化学品和燃料。由于木质素本身结构的复杂性和稳定性使其难以有效利用。目前大量的制浆和造纸工业的木质素没有得到有效利用,大部分用于燃烧供能,并且造成了一定程度的环境污染。为了保护环境、实现可持续发展,催化转化木质素制备高附加值化学品成为了研究的热点。木质素转化的研究众多,但是进展依然相对缓慢。目前主要的转化方法包括碱催化解聚、酸催化解聚、热化学转化、加氢处理解聚、氧化解聚等。由于加氢处理解聚木质素可以获得低聚木质素、酚类等有价值的化学品和制备烃类燃料,是目前研究的热点和最有效的方法之一。但是,催化剂失活和解聚产物产率不高等依然是需要进一步解决的问题。基于此,梳理了近年来木质素加氢处理主要的催化体系和相关结果,提出了尚待解决的问题,以期为今后建立有效的木质素解聚体系并实现其高值化利用的相关研究提供参考。     

Raney镍-质子型离子液体体系催化木质素平台分子加氢脱氧制备烷烃

木质素是生物质组成中唯一的芳香类化合物组分,高效转化木质素制备烷烃对于生物质全组分利用具有重要意义。通过设计合成质子型醇胺类离子液体,并与Raney镍催化剂建立催化体系,考察了其对于木质素衍生酚及醚类化合物加氢脱氧制备环烷烃的反应特性和规律。研究证明,Raney镍协同二乙醇胺三氟甲烷磺酸盐（[2-HDEA]OTf）催化体系具有最优的催化木质素衍生酚类和醚类化合物加氢脱氧效果。在反应温度130℃,时间15 h,氢气压力3 MPa条件下,木质素衍生酚类及醚类化合物转化率>99.0%,目标产物环烷烃产率>80.0%。Raney镍催化剂表现出与Rh/C等贵金属相近的催化效果,离子液体阴离子结构（OTf）在催化脱氧过程中起关键性作用。     

木质纤维素微生物转化机理研究进展

木质纤维素是自然界中储量最大的可再生资源物质,由于木质素难以降解,阻碍了木质纤维素物质的生物转化利用,并且是相关工业生产中毒性污染物质的主要来源。自然界中存在的白腐真菌对芳香族化合物具有很强的降解能力,具有完整的木质纤维素降解体系,对这一体系的研究成为实现木质纤维素资源转化利用的关键,木腐微生物的存在,使人类通过廉价手段降解和利用木质纤维素成为可能。研究木腐微生物降解木质纤维素的机制,研究木质素降解酶类不同组分以及和小分子活性物质之间协同作用机理,筛选培育高效降解木质纤维素的菌种和木质素降解酶,为实现工业化转化利用木质纤维素奠定基础。     

浅谈催化加氢脱氧法从木质素到芳烃衍生物

从木质素出发制备芳烃及其衍生物,是一条不依赖石油资源制备芳烃的技术路线。然而由木质素制备得到的生物油中含有大量的含氧化合物,包括酚、醚、酮、醛、醇、酸和酯等。由于大量含氧基团的存在,虽然燃烧时不会给环境带来污染,但油品品质显著降低,如低热值、化学不稳定性、粘度大和对设备腐蚀等,严重阻碍了其作为汽柴油替代燃料的广泛应用,必须对其进行脱氧精制。催化加氢脱氧(HDO)因具有绿色化的化学反应,较高的原子经济性,被认为是一种行之有效的针对生物油进行脱氧精致的方法。但由于木质素衍生物中酚羟基、醚键中的氧与苯环直接相连,断裂此类C-O键所需的活化能较高,难以脱除,催化加氢脱氧技术难度被认为大于加氢脱硫和加氢脱氮。因而,开发一种高效加氢脱氧催化剂就显得尤为重要了。经过大量的实验与尝试,我们发现耐水铌酸催化剂是可以用于未来工业化生产的突破方向之一。     

离子液体介质中纤维素资源转化研究进展

木质纤维素是地球上最丰富的可再生有机碳资源,将其高效转化为化学品或燃料,对缓解全球能源危机和解决环境污染问题具有重要意义。离子液体因对木质纤维素具有独特的溶解性能,近年来作为新型溶剂在生物质转化中获得广泛应用。综述了离子液体用于木质纤维素预处理及化学转化的最新研究进展,包括纤维素溶解、木质纤维素组分分离、纤维素水解制葡萄糖、六碳糖及纤维素催化转化制5-羟甲基糠醛以及碳水化合物的其他转化途径等,同时对基于离子液体平台的生物质转化技术存在的挑战、未来发展趋势及工业化前景进行了展望。     

纤维素催化加氢制备生物基化合物的研究进展

纤维素是自然界中广泛存在的生物质资源,以纤维素为原料催化加氢制备生物基化合物是纤维素利用的重要方向。简述了纤维素的化学结构及其催化加氢反应机理;详述了纤维素的催化加氢及其所用固体金属催化剂的研究进展;纤维素催化加氢可制备C2~C6糖醇类化合物,主要采用金属催化剂,如贵金属、镍基及钨基催化剂,对比了催化剂活性组分负载于不同载体时对催化剂活性的影响;指出催化加氢将是纤维素应用研究的热点,开发高催化活性的双功能催化剂将是今后催化剂研究的重点方向。     

木质纤维生物质精炼中木质素的分离及高值化利用

木质纤维素作为最有前途的可再生资源,可替代现有的液体燃料。因此,木质素作为木质纤维生物质细胞壁的主要成分之一,由其开发的高附加值产品将大大提高从可循环利用生物质生产能源的经济性。本文回顾了自催化乙醇精炼技术的优势,相对于其他制浆技术不仅可以高效地从木质纤维生物质中分离出高活性的木质素,还可以获得高附加值的副产品(如糠醛、低聚糖、乙酰丙酸、甲酸、乙酸等)。同时,抽提液可循环利用。基于自催化乙醇精炼木质纤维生物质的特点,介绍了用自催化乙醇精炼所分离出的高活性木质素进行高值化利用的优势,以及用木质素生产高附加值产品的研究及利用,从而为木质纤维生物质中木质素在工业上大量开发利用提供了一条新的途径。     

木质素解聚和液相催化降解研究进展

木质纤维生物质作为地球上最丰富的可再生资源, 不仅储量巨大而且在利用过程中具有碳平衡的显著优势, 已逐渐成为最具发展前景的可再生能源之一。木质纤维中的木质素是自然界最大且唯一的可再生芳香族化合物原料, 在生物质燃料转化, 尤其是解聚生产苯系化工产品等领域具有极为重要的作用和意义。本文在简述木质素化学结构的基础上, 综述了近年来木质素高温热解聚, 生物酶解聚, 催化热解聚, 光催化解聚和溶剂热解聚等解聚方法, 深入分析了液相催化过程中酸、碱催化体系, 加氢和氧化催化体系的机理及优缺点, 总结了现阶段木质素解聚方法中存在的问题, 并对未来的发展方向进行了展望。     

碱木素性能及应用研究进展

碱木素是一种来源丰富、价格低廉的可再生资源。综述了碱木素在表面活性剂、高分子材料、农用化学品等领域的应用研究最新进展 ,分析了提高其性能的改性方法 ,认为对碱木素的研究不仅可以减少纸厂制浆黑液对环境的污染 ,而且能高值利用碱木素 ,具有很好的社会和经济效益。     

木质素类生物质催化热解制备精细化学品研究进展

能源和环境是当今世界的两大挑战,将生物质转化为燃料和化学品是应对该挑战的低碳方案。其中,催化热解木质素获得燃料和化学品是低碳方案的重要部分。本文以能源和环境问题为出发点,阐述了木质素催化热解制备燃料和化学品的可行性和必要性,并对催化裂解行为、催化裂解过程和催化产物等方面的国内外研究现状进行了系统介绍。文章首先对木质素的结构和转化过程进行了概述;然后从催化热解行为、催化热解产物以及催化剂的研究现状等方面进行了系统阐述,并对现有的催化木质素热解过程的机理研究进行了讨论。通过对木质素催化热解制备燃料和化学品的发展前景、技术瓶颈以及逻辑方面进行评估表明,木质素转化为燃料和化学品过程中提高产品的产率和能量效率是今后的总体目标,而原料供给和生产、催化剂开发、产品分离纯化、反应机理和动力学以及计算模拟等方面将是深入研究木质素高效利用的重要研究内容。     

木质素氧化降解制备酚类化合物研究进展

木质素作为可再生资源被认为是最具有潜力的苯酚替代物用于制备酚醛树脂,作为制浆造纸工业副产品,木质素来源丰富且低毒,但是木质素具有三维空间网状结构,分子量大,反应活性低。到目前为止,很多方法(如热化学转化、热裂解、液化、超临界水处理、氧化、还原和水解等)用于将大分子木质素降解为小分子物质,得到的小分子物质中含有重要的化工中间体可以用来制备多种产品。本论文综述了木质素氧化降解得到酚类物质的研究现状,并展望了木质素工业化的应用前景。     

木质素氧化降解制备酚类化合物研究进展（英文）

木质素作为可再生资源被认为是最具有潜力的苯酚替代物用于制备酚醛树脂,作为制浆造纸工业副产品,木质素来源丰富且低毒,但是木质素具有三维空间网状结构,分子量大,反应活性低。到目前为止,很多方法（如热化学转化、热裂解、液化、超临界水处理、氧化、还原和水解等）用于将大分子木质素降解为小分子物质,得到的小分子物质中含有重要的化工中间体可以用来制备多种产品。本论文综述了木质素氧化降解得到酚类物质的研究现状,并展望了木质素工业化的应用前景。     

木质纤维生物质半纤维素分子模拟应用研究进展

木质纤维生物质资源是重要的可再生生物质资源,主要包含纤维素、半纤维素和木质素。半纤维素含量仅次于纤维素,是一种丰富、可再生的植物资源,其可水解制备重要化学品以及改性制备多功能材料。本文综述了生物质半纤维素分子模拟应用研究进展,从半纤维素大分子形态及其与纤维素结合方式的分子模拟研究和半纤维素制备化学品及材料的分子模拟研究2个方面进行阐述,从模拟结果可以看出半纤维素在细胞壁中与纤维素和木质素的相互作用及其本身的大分子形态对木质纤维生物质三大素的提取利用具有显著影响。分子模拟有利于理解过程机理,对反应效率的提高具有重要理论指导意义。最后对分子模拟在半纤维素研究的发展应用进行了展望,指出目前半纤维素分子模拟的空白领域,主要包括半纤维素液化生产生物油、木糖异构化生产木酮糖、半纤维素与木质素之间的结合方式以及其他的半纤维素基材料等,这些有待进一步的探索与研究。     

Comparison of the thermal reactivities of isolated lignin and holocellulose during pyrolysis

Woody shells of Turkish hazelnuts which are rich in lignin content offer an important potential as a renewable energy source. Hence, this study focuses on the investigation of the thermal reactivities of the real macromolecular ingredients of this biomass species. Hazelnut shells were treated with chemicals to isolate its holocellulose (hemicelluloses + cellulose) and lignin. Scanning Electron Microscopy (SEM) images revealed the significant differences between the physical features of the untreated biomass and its isolated ingredients. Thermal properties of the biomass and these ingredients were examined by Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) techniques under non-isothermal pyrolysis conditions from ambient to 900 °C. It was found that unlike holocellulose, lignin slowly decomposes in a wider temperature range, and its decomposition is associated with exothermic heat flow. It was also concluded that the hemicellulosics in holocellulose have very important effects with respect to the char yield and the exothermicity of the process. Besides, inorganics in biomass play a catalytic role during pyrolysis. The activation energies calculated according to Borchardt-Daniels' kinetic model were 64.8 and 51.8 kJ/mol for the pyrolysis of holocellulose and lignin, respectively, and each of them is higher than that for the untreated biomass.     

High-Value Chemicals from Electrocatalytic Depolymerization of Lignin: Challenges and Opportunities

Lignocellulosic biomass is renewable and one of the most abundant sources for the production of high-value chemicals, materials, and fuels. It is of immense importance to develop new efficient technologies for the industrial production of chemicals by utilizing renewable resources. Lignocellulosic biomass can potentially replace fossil-based chemistries. The production of fuel and chemicals from lignin powered by renewable electricity under ambient temperatures and pressures enables a more sustainable way to obtain high-value chemicals. More specifically, in a sustainable biorefinery, it is essential to valorize lignin to enhance biomass transformation technology and increase the overall economy of the process. Strategies regarding electrocatalytic approaches as a way to valorize or depolymerize lignin have attracted significant interest from growing scientific communities over the recent decades. This review presents a comprehensive overview of the electrocatalytic methods for depolymerization of lignocellulosic biomass with an emphasis on untargeted depolymerization as well as the selective and targeted mild synthesis of high-value chemicals. Electrocatalytic cleavage of model compounds and further electrochemical upgrading of bio-oils are discussed. Finally, some insights into current challenges and limitations associated with this approach are also summarized.     

木质素催化解聚的研究进展

木质素是一种芳环结构来源丰富且价格低廉的可再生资源。从木质素出发催化解聚制备单酚类高附加值精细化学品和芳香烃烷烃等高品位生物燃料,可以部分替代以化石燃料为原料的生产过程,是生物质资源全组分高效综合利用的重要组成部分。在木质素催化解聚方法中,催化氢解可以直接将木质素转化为低氧含量的液体燃料,在生物燃料利用方面展现出巨大的潜力。本文详细总结了木质素的催化解聚方法,从催化剂类型、溶剂种类、反应机理及催化剂循环使用性等方面介绍了国内外的主要研究进展,着重阐述了木质素催化氢解方法。最后总结了当前木质素催化解聚过程中存在的难题,并对未来的技术发展提出了建议和展望。     

化学法降解木质素为酚类化合物的研究进展

木质素是一种具有潜在巨大应用前景的可再生资源,其降解的酚类化合物产物是可替代部分仅依靠石油能源为主要来源的化工原料,故可缓解一定的石油能源压力。主要从化学法降解木质素的方法和防止降解物重聚两个角度综述木质素降解的研究现状,总结木质素降解存在的主要问题及对其未来的发展提出了展望。