以秸稈、農(nóng)作物殼皮莖稈、樹葉、林業(yè)邊角余料和城鄉(xiāng)有機垃圾等纖維為原料生產(chǎn)的纖維素乙醇,解決了生物燃料與糧食爭地、與人爭食的問題,被稱為第二代生物燃料。別看它的原料廉價易得,其制備工藝可不簡單。
近日,中國科學院院士張濤和中國科學院大連化學物理研究所研究員王愛琴課題組基于多步串聯(lián)反應策略,發(fā)展了一種新的化學催化方法,可將纖維素“一鍋”高效轉化為乙醇。相關成果近日發(fā)表于《焦耳》。
生物燃料的“寵兒”
作為自然界最豐富的生物質資源,大量來源于農(nóng)林廢棄物的纖維素和半纖維素用途廣泛。其因不可食用的特征,在可再生碳資源中備受關注,成為科學家制備生物燃料和化學品的“寵兒”。
由此制成的纖維素乙醇就是其中之一?！袄w維素乙醇是一種重要的生物燃料,將其與汽油按照一定的比例混合,可形成新一代清潔環(huán)保車用燃油,能降低汽車尾氣如一氧化碳、碳氫化合物等污染物的排放?！蓖鯋矍俑嬖V《中國科學報》。
纖維素是以葡萄糖為基本結構單元、通過β-1,4糖苷鍵形成的高分子聚合物。由于纖維素分子間和分子內存在大量的氫鍵,能形成一個天然的網(wǎng)絡結構保護其內部的β-1,4糖苷鍵不受攻擊。雖然具有天然抗逆性,但也極大阻礙了其生物轉化。
王愛琴表示,傳統(tǒng)上科學家多用生物發(fā)酵的手段進行轉化,但纖維素酶價格昂貴、容易中毒,所以商業(yè)化過程一直面臨技術經(jīng)濟上的挑戰(zhàn)。
在各種生物質轉化路線中,化學催化轉化具有效率高、與現(xiàn)有化工基礎設施容易對接的獨特優(yōu)勢,頗受科研人員青睞。
“在生物質催化轉化的研究中,其中一個主要研究方向就是選擇性斷裂生物質大分子中的C-C鍵和C-O鍵,從而得到重要的小分子化合物,包括醇、醛、酸等。這也是我們組多年的研究方向。”王愛琴介紹,團隊于2008年首創(chuàng)了纖維素氫解制乙二醇的催化轉化反應,發(fā)現(xiàn)了含W化合物在催化纖維素C-C鍵選擇性斷裂反應中的獨特作用,并提出纖維素先氧化酯化、再加氫還原制備乙醇的二步法。
隨后,團隊又發(fā)現(xiàn)由氧化鎢負載鉑的金屬—酸雙功能催化劑可以有效選擇性氫解甘油中的C-O鍵,為新型催化劑的制備提供了理論基礎。
那么,是否可以設計這樣一種多功能催化劑,讓其耦合纖維素C-C鍵斷裂到乙二醇與乙二醇C-O鍵斷裂到乙醇的反應,從而“一鍋”高效催化纖維素生成乙醇呢?科學家期待著答案。
乙醇轉化“馬力全開”
基于此構想,團隊首先設計制備了Pt/WOx金屬—酸雙功能催化劑,在反應釜中于250攝氏度、6MPa氫氣的反應條件下,考察了該催化劑對于纖維素氫解反應的性能。
結果表明,該催化劑確實可以氫解纖維素生成乙醇,但是乙醇收率并不理想。
論文第一作者、中科院大連化物所博士楊曼告訴《中國科學報》,經(jīng)過多次嘗試,實驗人員發(fā)現(xiàn)過渡金屬Mo的引入可以加足收率“馬力”,同時催化劑的催化活性與Mo的負載量和負載順序有著密切關系。
“只有當Mo/Pt原子比為0.1時,且先載Pt后載Mo時,才能獲得高的乙醇收率 (最優(yōu)乙醇收率41.3 %)。并且,纖維素制乙醇的‘一鍋’反應對Mo/Pt原子比的依賴關系與乙二醇氫解制乙醇的規(guī)律完全一致,說明后者是動力學決速步驟,且是結構敏感反應?！彼f。
為了探究構效關系,隨后實驗人員進行了XAFS、Raman等多種光譜表征,提出MoO5-Pt-WOx活性位結構。
楊曼介紹,MoO5呈現(xiàn)配位不飽和的單分散形式,通過與納米Pt表面的相互作用,進而調變Pt-WOx的電子相互作用,促進乙二醇氫解為乙醇的反應。而過多的Mo形成了Mo-O-Mo物種覆蓋表面的Pt活性位,因此降低了反應活性。
盡管難題得到了解決,但究竟是什么制約了乙醇的收率呢?為此,團隊將目光轉向原生生物質的催化轉化反應。
實驗發(fā)現(xiàn),當以玉米秸稈、芒草和樺木屑為原料時,在不對其進行任何預處理的情況下,獲得乙醇收率分別為25.2 %、26.3 % 和29.0 %——說明木質素的存在影響了纖維素的轉化。而當用適當?shù)念A處理方法除去芒草中的大部分木質素后,乙醇收率可以達到40%以上。
隨后,實驗人員對催化劑的抗CO中毒性能和循環(huán)穩(wěn)定性能進行了研究?！坝幸馑嫉氖?當使用含有0.5%CO的H2時,Mo/Pt/WOx催化劑表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗CO中毒性能,乙醇收率依然可以保持在41%,這主要歸因于Pt和WOx之間較強的電子相互作用抑制了CO的吸附。而在循環(huán)穩(wěn)定性的測試中,由于Mo/Pt/WOx催化劑中WOx結構的不穩(wěn)定,導致了Pt的聚集。”王愛琴說。
最終,實驗人員采用了穩(wěn)定性更好的Pt/WOx/Al2O3催化劑。通過搭配鎢酸,該催化劑可以重復循環(huán)5次保持乙醇收率不變,具有高效且連續(xù)化生產(chǎn)等特點。
“催”生產(chǎn)業(yè)新未來
據(jù)了解,截至2018年,我國燃料乙醇產(chǎn)能已達到290萬噸。然而2018年我國汽油總消費量高達1.3億噸,若全部按現(xiàn)行10%摻混標準,生物燃料乙醇需求量將達到1300萬噸,供需缺口極大。
王愛琴表示,團隊創(chuàng)制的新型催化劑,可同時催化斷裂纖維素中的C-C鍵和C-O鍵,從而可從纖維素直接氫解獲得乙醇,大大提高了轉化效率。同時,催化劑優(yōu)異的抗CO中毒性能和循環(huán)穩(wěn)定性使其在未來的實際應用中具有較大的潛力。
然而,若想投入產(chǎn)業(yè)化應用還需打造“全鏈條”制備體系?！袄w維素乙醇產(chǎn)業(yè)化是一個典型的系統(tǒng)工程,從原料收集到秸稈預處理,從催化劑的篩選到反應器結構設計,從纖維素/半纖維素的轉化到秸稈全質化利用,從工藝路線設計到工程化放大,涉及眾多的學科和領域,需要系統(tǒng)的技術集成和全面整合資源?！蓖鯋矍僬f。
“我們將在現(xiàn)有研究基礎上,進一步優(yōu)化催化劑和工藝條件,努力獲得具有實用價值的高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性催化劑?！彼硎?團隊正致力于與相關企業(yè)合作,將該技術推向市場應用。
