本發(fā)明屬于化學(xué)合成，尤其涉及一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著化石能源面臨枯竭和環(huán)境污染問題加劇，生物質(zhì)作為一種可持續(xù)的替代資源，其潛力日益受到重視。特別是在生產(chǎn)高附加值的生物化學(xué)品，如5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸等方面，生物質(zhì)被視為理想的原料。在生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中，葡萄糖到果糖的異構(gòu)化是精煉過程的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的生物酶催化方法在果糖的制備上存在諸多挑戰(zhàn)，如反應(yīng)條件嚴(yán)格、成本高昂以及酶易失活等。鑒于這些問題，非均相催化體系作為一種新興的替代方案，受到了科研和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這種催化體系有望為果糖的制備提供更為高效、經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定的解決方案。然而，目前的固體催化劑存在合成過程繁瑣、條件苛刻、活性低、選擇性差的問題，需進(jìn)一步優(yōu)化催化劑以最終獲得果糖。為此提出一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳及其制備方法和應(yīng)用，旨在解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1、利用水熱法處理木質(zhì)素，得到木質(zhì)素基水熱碳；

5、步驟2、將步驟1得到的木質(zhì)素基水熱碳材料和金屬醋酸鹽與硼酸鹽進(jìn)行機(jī)械球磨；

6、步驟3、用無水乙醇與超純水清洗步驟2得到的材料，干燥，得到復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳材料。所述復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳材料包含鋁及硼，鋁的存在形態(tài)為al3+，硼的存在形態(tài)為b-oh和b-o。硼基團(tuán)有利于葡萄糖的吸附，促進(jìn)反應(yīng)底物傳質(zhì)，金屬能夠促進(jìn)葡萄糖異構(gòu)化為果糖，從而實(shí)現(xiàn)了催化反應(yīng)的高效進(jìn)行。

7、進(jìn)一步的，所述步驟1具體為：

8、將木質(zhì)素分散于水中，在室溫條件下采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速為500-1000?rpm（優(yōu)選為600-900?rpm，最優(yōu)選為700?rpm），攪拌時(shí)間為0.1-1?h（優(yōu)選為0.1-0.5h，最優(yōu)選為0.2?h）；將混合好的木質(zhì)素溶液進(jìn)行水熱處理，水熱反應(yīng)的溫度為150-250?℃（優(yōu)選為200?℃），水熱反應(yīng)的時(shí)間為12-24?h（優(yōu)選為16-20?h，最優(yōu)選為18?h），水熱處理完成后，將水熱后的產(chǎn)物進(jìn)行干燥，得到木質(zhì)素基水熱碳。

9、進(jìn)一步的，所述步驟1中，木質(zhì)素為堿木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鈉、生物質(zhì)提取的木質(zhì)素等。

10、進(jìn)一步的，所述步驟2中，木質(zhì)素基水熱碳材料、金屬醋酸鹽與硼酸鹽的摩爾量比為1:(0.5-2):(0.5-2)，優(yōu)選為1:1:1。醋酸鹽添加含量優(yōu)選為0.1-4?mol，更優(yōu)選為0.1-3mol。

11、進(jìn)一步的，所述步驟2中，金屬醋酸鹽為醋酸鋁、醋酸鐵、醋酸鎂、醋酸錫等；硼酸鹽為硼酸、硼砂。

12、進(jìn)一步的，所述步驟2中，球磨轉(zhuǎn)速為250-400?rpm（優(yōu)選為300-400?rpm，最優(yōu)選為350?rpm），反應(yīng)時(shí)間為2-8?h（優(yōu)選為3-6?h，最優(yōu)選為4?h）。

13、進(jìn)一步的，所述步驟3中，洗滌劑無水乙醇與超純水的用量優(yōu)選為10-50?ml，更優(yōu)選為20-30?ml；洗滌次數(shù)優(yōu)選為1-2次；洗滌過程分離方法為離心，轉(zhuǎn)速優(yōu)選為10000?rpm，離心時(shí)間優(yōu)選為3?min。

14、洗滌的具體過程為：將球磨后得到的產(chǎn)物與無水乙醇和超純水混合后依次進(jìn)行攪拌和離心。攪拌時(shí)間優(yōu)選為5-10?min；攪拌速率優(yōu)選為200-300?rpm；攪拌方式優(yōu)選為磁力攪拌。

15、進(jìn)一步的，干燥溫度優(yōu)選為55-80?℃，更優(yōu)選為80?℃；干燥時(shí)間優(yōu)選為10-24?h，更優(yōu)選為12?h。本發(fā)明對干燥設(shè)備沒有特殊要求，采用本領(lǐng)域常見的鼓風(fēng)干燥箱即可。

16、一種根據(jù)上述所述的制備方法制得的復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳。

17、一種根據(jù)上述所述的復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳在葡萄糖異構(gòu)化為果糖中的應(yīng)用。

18、進(jìn)一步的，所述應(yīng)用具體為：

19、復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳作為催化劑，將催化劑、葡萄糖和乙醇混合均勻，得到混合液，混合液中葡萄糖的質(zhì)量濃度為5-100?g/l（優(yōu)選為10-90?g/l），將混合液置于微波反應(yīng)裝置中進(jìn)行加熱，反應(yīng)結(jié)束后，取出上層液體進(jìn)行稀釋，用uplc進(jìn)行定性和定量分析，復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳催化葡萄糖異構(gòu)化為果糖及其衍生物5-羥甲基糠醛與5-乙氧甲基糠醛。

20、進(jìn)一步的，所述葡萄糖與催化劑的質(zhì)量比為(1.5-10):1（優(yōu)選為2:1）；加熱溫度為40-160?℃（優(yōu)選為120-160?℃），加熱時(shí)間為0.1-8?h（優(yōu)選為0.3-2?h）。

21、進(jìn)一步的，乙醇優(yōu)選為95%乙醇（ar）。在本發(fā)明中，乙醇僅作為溶劑，不起催化作用。本發(fā)明對乙醇的來源沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的產(chǎn)品即可。

22、進(jìn)一步的，所述葡萄糖異構(gòu)化反應(yīng)優(yōu)選為在攪拌的條件下進(jìn)行；攪拌速率優(yōu)選為500-800?rpm；攪拌方式優(yōu)選為磁力攪拌。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明以木質(zhì)素為原料，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)的資源化再利用；通過水熱法制得高活性的木質(zhì)素基水熱碳材料，結(jié)合機(jī)械球磨法制得高活性復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳材料，合成途徑更加便捷、綠色、安全；木質(zhì)素通過水熱過程可增多表面官能團(tuán)，同時(shí)本發(fā)明通過機(jī)械球磨過程在催化劑中引入了金屬與硼離子，使得該材料能夠高效將葡萄糖異構(gòu)化為果糖，反應(yīng)時(shí)間短且選擇性高。利用本發(fā)明提供的制備方法制備復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳，可以實(shí)現(xiàn)67.4%的葡萄糖轉(zhuǎn)化率以及54.8%的果糖產(chǎn)率。

技術(shù)特征：

1.一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，木質(zhì)素為堿木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鈉或生物質(zhì)提取的木質(zhì)素。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，木質(zhì)素基水熱碳材料、金屬醋酸鹽與硼酸鹽的摩爾量比為1:(0.5-2):(0.5-2)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，金屬醋酸鹽為醋酸鋁、醋酸鐵、醋酸鎂或醋酸錫；硼酸鹽為硼酸或硼砂。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，球磨轉(zhuǎn)速為250-400rpm，反應(yīng)時(shí)間為2-8?h。

7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的制備方法制得的復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳。

8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳在葡萄糖異構(gòu)化為果糖中的應(yīng)用。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述應(yīng)用具體為：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述葡萄糖與催化劑的質(zhì)量比為1:(1.5-10)；加熱溫度為40-160?℃，加熱時(shí)間為0.1-8?h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明適用于化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明以木質(zhì)素為原料，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)的資源化再利用；通過水熱法制得高活性的木質(zhì)素基水熱碳材料，結(jié)合機(jī)械球磨法制得高活性復(fù)合材料木質(zhì)素基水熱碳材料，合成途徑更加便捷、綠色、安全；木質(zhì)素通過水熱過程可增多表面官能團(tuán)，同時(shí)本發(fā)明通過機(jī)械球磨過程在催化劑中引入了金屬與硼離子，使得該材料能夠高效將葡萄糖異構(gòu)化為果糖，反應(yīng)時(shí)間短且選擇性高。利用本發(fā)明提供的制備方法制備金屬鋁改性木質(zhì)素基生物炭催化劑，可以實(shí)現(xiàn)67.4%的葡萄糖轉(zhuǎn)化率以及54.8%的果糖產(chǎn)率。

技術(shù)研發(fā)人員：郭海心,單建榮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30