论文摘要
生物质是一类利用绿色植物在光合作用下形成含有木质素、半纤维素和纤维素三种成分的生物体,经演变失去生理功能和代谢功能的生物体材料。生物质资源具有可再生性、广泛性、形式多样性及环境友好性等特点。生物质用途广泛,使用范围涉及国民经济和工农业生产各个领域。目前,利用生物质制备活性炭、生物燃料（固体、液体、气体）、生物乙醇及其它化学品等方面的研究越来越受到关注。本项目从生物质的结构特性出发,利用生物质的可炭化性,将生物质材料通过炭化得到新型的生物质炭基材料,再进一步对其进行化学修饰,以得到具有新结构和特异性能的新型生物质炭基酸碱材料。本课题以廉价的玉米秸秆为原料制备新型的生物质炭基酸碱催化剂,并进行了表征和应用研究。主要研究内容和结果如下：1.以玉米秸秆为原料,在N2保护下热解炭化得到炭基材料,再通过磺化方法制备炭基固体磺酸催化剂。考察了炭化温度、炭化时间对材料结构和性能的影响。利用FTIR、XRD、Raman、XPS、BET、TG等分析手段,对炭基磺酸进行了表征。结果表明：在优化条件下制备的炭基磺酸的酸量可达2.6 mmol·g-1; FTIR表明炭基磺酸有明显的C-S吸收峰,磺酸基成功的连接到了炭基材料上；XRD和Raman表征表明炭基材料中存在着石墨结构或共轭芳环结构,并且形成于炭化阶段；XPS测定S的电子结合能为168 eV,进一步证明炭基材料连有磺酸基；BET结果显示炭基磺酸的比表面积为17.8m2·g-1；TG显示炭基磺酸在523 K左右才会失重,说明炭基磺酸具有良好的热稳定性。2.以油酸与甲醇的酯化反应和环己酮自缩合反应为模版,考察了炭基磺酸的催化活性。结果显示：采用炭化温度为573 K、炭化时间为1h的炭基磺酸催化酯化反应,反应时间为4 h、反应温度为333 K、催化剂用量为7 wt%及醇油摩尔比为7：1时,酯化率高达98%,且对酯的选择性均为100%,催化剂具有较高的稳定性和较好的重复利用性：采用炭化温度为573 K、炭化时间为1h的炭基磺酸催化环己酮自缩合反应,反应时间为5 h、反应温度为393 K、催化剂用量为8 wt%时,环己酮转化率可达87%,环己酮二聚物的选择性为86.2%,并且催化剂的循环使用性良好。3.以玉米秸秆为原料,在N2保护下热解炭化得到炭基材料,再通过接枝共聚方法制备炭基固体碱催化剂。运用FTIR、XRD、Raman. XPS、BET等手段对炭基固体碱进行分析。FTIR表明只有炭化温度为673 K或723 K,炭化时间为1h的炭基固体碱才存在氨基的特征吸收峰,氨基通过自由基聚合的方式成功连接到炭基材料上：XRD和Raman表征表明炭基材料中存在着石墨结构或共轭芳环结构,但是在碱性作用下,石墨化程度有所降低；XPS测定N的电子结合能,证明共聚后炭基材料连有C-N键；BET结果显示炭基磺酸的比表面积为22.6m2.g-1。同时,以苯甲醛与氰乙酸乙酯的Knoevenagel缩合反应和乙酸乙酯与甲醇的酯交换反应为探针反应,考察了炭基固体碱的催化性能。结果显示：采用炭化温度为673 K、炭化时间为1h的炭基固体碱催化Knoevenagel缩合反应,反应时间为1 h、反应温度为353 K、催化剂用量为0.1 g、反应物的摩尔比为1：1时,产率为25.7%,催化剂的循环使用性良好；炭基固体碱催化乙酸乙酯与甲醇的酯交换反应时,发现几乎无催化活性,这主要是由于炭基固体碱碱强度较低的缘故。本研究为炭基材料的应用提供了新的思路,并为制备炭基固体酸碱多功能材料提供了新的途径,具有重要的理论意义及实用价值。