[发明专利]一种用于催化纤维素水解的催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于催化纤维素水解的催化剂。

技术背景

“石油危机”的出现以及化石能源利用所带来的环境和气候变化问题，使得世界能源战略的重点开始转向可再生能源的研究和开发。可再生能源的来源非常广泛，包括淀粉、食用油和纤维素等。显然，人类的生存与发展离不开淀粉和食用油，特别是在当前面临日益增长的食品需求的情形下，对它们的开发利用是不可取的，也是不可持续发展的。而纤维素是自然界中存在最为广泛的可再生资源，它不会威胁到粮食安全，因此利用纤维素为原料制取生物质燃料遂成为符合可持续发展战略的必然选择。

纤维素是由葡萄糖单元通过β-1，4糖苷键链接组成的天然高分子聚合物。而且，纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键，这些氢键使得纤维素易形成构型非常稳定的结晶结构。由于纤维素结构的特殊性，使得纤维素的定向转化成为一道技术难题。因此，研究其转化利用技术将成为纤维素转化技术的关键所在。纤维素的降解技术经历了无机酸水解法、酶水解法和超临界水转化法等研究历程。但是，以上各方法均不完善，且都存在许多缺点和问题。目前，越来越多的学者采用快速、高效、绿色的新技术来展开对纤维素的开发利用。Fukuoka[A.Fukuoka and P.L.Dhepe，Angew.Chem.，Int.Ed.，2006，45，5161-5163.]和刘海超[C.Luo，S.Wang，H.C.Liu，Angew.Chem.，Int.Ed.，2007，46，7636-7639.]等人均报道了以水为反应介质的条件下纤维素催化加氢转化为多元醇的研究工作，这开辟了纤维素制备多元醇的新途径和新方法；最近，王野[W.P.Deng，X.S.Tan，W.H.Fang，Q.H.Zhang，Y.Wang，Catal.Lett.，2009，133，167-174.]研究组也报道了Ru/CNT催化剂在水介质中能直接将纤维素催化转化为山梨醇。然而他们的研究中均用到价格昂贵的贵金属催化剂，这势必会增加开发利用的成本。鉴于此，张涛[N.Ji，T.Zhang，M.Y.Zheng，A.Q.Wang，H.Wang，X.D.Wang，J.G.Chen，Angew.Chem.，Int.Ed.，2008，47，8510-8513.]研究组研究了负载型碳化钨催化剂在纤维素催化转化反应中的催化性能。此外，Shimizu等人[K.Shimizu，H.Furukawa，N.Kobayashi，Y.Itaya，A.Satsuma，Green Chem.，2009，11，1627-1632.]研究了杂多酸和杂多酸的金属盐可作为催化纤维素水解为糖的有效催化剂。虽然上述的催化剂在纤维素催化转化反应中表现出较好的催化活性，但是反应过程中用到氢气。氢气的介入一方面势必会增加应用的成本，另一方面会增加安全隐患。在此基础上，Hara[S.Suganuma，K.Nakajima，M.Kitano，D.Yamaguchi，H.Kato，S.Hayashi and M.Hara，J.Am.Chem.Soc.，2008，130，12787-12793.]和Onda[A.Onda，T.Ochi and K.Yanagisawa，Green Chem.，2008，10，1033-1037.]开展了在无氢气条件下催化水解纤维素的研究。但是从工业应用的角度来讲，这类磺酸化固体酸催化剂的制备较为复杂，不适宜大规模制备。

1998年，美国的《自然》杂志首次报道了挥发诱导自组装合成法[P.D.Yang，D.Y.Zhao，D.L.Margolese，B.F.Chmelka，D.Stucky，Nature，1998，396，152-155.]，该方法是通过溶剂挥发而使溶液中的模版剂和无机物种之间发生恰当的相互作用，导致自组装的发生。从此以后，挥发诱导自组装合成法在催化学科中作为一类新的催化材料的合成方法，引起了人们极大的关注。将挥发诱导自组装合成法合成的二氧化硅催化剂应用于催化纤维素的水解反应至今还未见专利及文献报道。

发明内容

本发明公开一种用于催化纤维素水解的催化剂，它能够高选择性地将纤维素转化为葡萄糖。