科技 新浪科技 有了這種催化劑 你就是我的唯一

有了這種催化劑 你就是我的唯一

新浪科技 2018-12-07 10:04

  來源:科學大院

  「能源危機」和「環境污染」是當今世界面臨的兩大難題,如果說有什麼能夠一次性解決這兩大難題的高手,那就非「生物質」莫屬了!

圖片來源:視覺中國圖片來源:視覺中國

  近日,中國科學院大連化學物理研究所生物能源研究部王峰研究團隊與北京大學馬丁教授合作,發展並報道了生物質發酵液的轉化的新策略,實現ABE溶液(丙酮-丁醇-乙醇-水)的高效率、高選擇性製備化學品4-庚酮,相關研究成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。

  是不是覺得「每個字都認識但就是看不懂」?大院er這就來告訴你這個研究厲害在哪裡~~

   生物質:第四大能源

  生物質是一切有生命的並且可以生長的有機物質的統稱,包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食的動物及其生產的廢棄物,具有可再生性、低污染性、廣泛分佈性的特點,可以說是「取之不盡的的資源寶庫」。

  試想一下,豐收時堆積如山的秸稈,再也不用因為焚燒產生污染而成為人們心頭揮之不去的陰影,搖身一變成為生產清潔能源的「金疙瘩」,這是多麼讓人期待的景象啊~~

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  目前生物質能源已成為僅次於煤炭、石油、天然氣的第四大能源,約佔全球總能耗的14%。在發展中國家則更為突出,生物質能佔總能耗的35%。利用現代新技術將生物質能進行轉換,對於我國能源結構改革,建立可持續發展的能源體系,促進社會和經濟的發展以及改善生態環境具有重大意義。

   生物質的利用 還得過這個難關

  ABE發酵液就是生物質能源的一種。它是以澱粉或者纖維素為原料,經過丙酮丁醇梭菌發酵得到的丙酮、丁醇、乙醇和水的混合溶液。不要小瞧這些低碳的化合物,它們可都是生活中燃料和化學品的重要來源之一。

  而且ABE發酵液可以說是具有豐富的原料基礎,發酵菌丙酮丁醇梭菌廣泛分佈於土壤和穀物等種子表面,而澱粉和纖維素就更不用說了,農作物和農業廢料就可以提供大量的澱粉和纖維素。

  ABE發酵液雖然很有用,但一般含有大量的水,濃度很低,需要經過氣提、膜分離等技術對其進行提純,不過這些過程不可避免的帶來高能耗等問題,很大程度限制了其廣泛應用。因此,ABE溶液理想的利用方式是:不經過提純或是僅經過簡單的濃縮而直接轉化,製備燃料或化學品,但是這可是塊「硬骨頭」。

  近幾年,國內外在無水ABE製備燃料方面也取得了一定的進展。但對於ABE發酵液製備化學品仍是一個挑戰,原因在於:乙醇、丙酮和丁醇(C2、C3、C4) 等小分子性質較為活潑,相互之間很容易進行反應,得到成分複雜的混合物,碳數可能從C5~C11,甚至更高。要想獲得我們心目中的那個「唯一」產物,太難了!

圖片來源:大連化物所科學傳播處圖片來源:大連化物所科學傳播處

   無心插柳柳成蔭:偶然出現的「唯一」

  大連化物所王峰研究員團隊設有多個研究方向,其中一個是缺陷金屬氧化物催化劑酸鹼催化有機反應,例如氧化鈰催化劑用於催化小分子轉化成為大分子;另外一個研究方向是生物質轉化,例如用農業廢料,如秸稈呀,木屑呀製備有用的化學品。

  本來兩個方向各自為戰,沒有交集,但是突然有一天,王峰瞄上了二氧化鈰這種物質。二氧化鈰為可還原氧化物,鈰具有三價和四價兩種價態,氧氣充足下,鈰為四價;但是氧氣不足時,氧就會走掉,形成氧缺陷位點,同時伴隨鈰從四價變為三價,這種氧缺陷位點通常在化學反應中扮演活性中心的角色。當二氧化鈰遇上生物質會怎樣呢?於是乎,他便從氧化型催化劑隊伍里選出一位全能代表:錫摻雜的二氧化鈰;再從生物質轉化中選出一個複雜體系:三組分(乙醇、丙酮、丁醇混合)的ABE水溶液。

  本預想這會是一場複雜的「對抗」,沒想到卻成就了「一見鍾情「,它倆的混合物居然高效地、高選擇性地製備出了4-庚酮!

  4-庚酮本身可作為香料或食品添加劑,同時又是非常重要的中間體,可以通過進一步加氫、縮合等化學反應過程獲取更高渡價值的產品,用作精細化學品、油品(如航空燃油)、化學溶劑等。

  化學的世界,妙不可言!

   當二氧化鈰遇上生物質

  下面就讓我們來看看這個神奇的ABE發酵液催化轉化體系吧

圖片來源:大連化物所科學傳播處圖片來源:大連化物所科學傳播處

   「條條大路通羅馬」

  王峰研究員團隊採用錫摻雜的二氧化鈰為催化劑,可實現原料和產品「水油分離」,僅通過傾倒和簡單的蒸餾,即可獲得95%純度的4-庚酮,實現了單一化學品的高選擇性製備,選擇性高達86%。

  該催化反應體系中,ABE(乙醇、丙酮、丁醇)溶液雖然經過不同的反應路徑和中間產物,但卻最終單一的選擇性生成了同一種產物4-庚酮。也就是說雖然走了不同的「道路」,但是都達到了同一個「羅馬」。

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   「五項全能選手」

  在該ABE的催化轉化過程中,錫摻雜的二氧化鈰催化體系,可以同時協同催化水參与的酮基化反應、醇脫氫反應、格爾伯特反應、縮合反應以及酯化反應五種反應,可謂是個「全能王」了。

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   「化腐為奇」

  已報道的ABE催化轉化體系中,水均被認為是「腐」物,會造成催化劑中毒,但王峰研究員團隊的研究中,水不但不會引起催化劑中毒,反而會參与反應,促使目標產物的選擇性生成。

   結語

  該方法以生物質發酵液為原料,突破ABE催化轉化現有技術選擇性差的缺點,在固相鈰基催化劑上,實現高選擇性製備單一化學品,實現了ABE水溶液的直接催化轉化,碳轉化率達到~70%。該過程原料來源廣泛,催化劑易得,既具有科學研究意義,又具有工業應用前景。

  接下來該團隊將基於現有認識,進一步設計製備高性能催化體系,積極向工業應用邁進!

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