[发明专利]一种硼掺杂碳基催化加速剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硼掺杂碳基催化加速剂，所述的硼掺杂碳基催化加速剂是粒径为1nm‑10μm的硼掺杂碳基微球，以可溶性糖和含硼化合物为原料进行水热反应得到，所述的可溶性糖包括果糖、葡萄糖、蔗糖、纤维二糖、环糊精、壳聚糖或淀粉；所述的含硼化合物包括硼酸、苯硼酸、硼砂、对苯二硼酸或苯硼酸钠。该硼掺杂碳基催化加速剂球形度好、微球之间没有明显粘连，硼掺杂改善了碳材料表面活性，提高了微球对纤维素的亲和能力；硼羟基相较于普通羟基具有更强的纤维素亲和能力，产生更强的结构破坏能力，可以有效打破纤维素的取向结构，破坏致密的氢键网络结构，实现纤维素在低酸水相体系的高效水解成糖。

技术领域

本发明属于生物质高值转化利用技术领域，具体涉及一种硼掺杂碳基催化加速剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类社会工业化的不断推进，我们对碳基能源和材料的需求量越来越高，石油、煤炭、天然气等不可再生资源的大量使用与废弃，也造成了非常严重的环境问题。生物质作为一种年产量巨大、可再生的自然资源，是目前最有望替代石油资源的可再生碳源，纤维素是生物质中含量最多的组分，广泛存在于木材、秸秆、草、海藻中，作为一种碳中性甚至碳负性资源，纤维素在被转化利用为新一代可再生能源与材料方面具有极大的潜力与前景。纤维素水解成糖是将其转化为能源和材料的关键节点技术，但是由于天然纤维素中链段高度取向，纤维素分子链线性排列，紧密堆积在一起，分子链之间形成了非常顽固的氢键网络结构，使水和催化剂无法到达反应位点(即反应可及性差)，导致纤维素无法有效发生水解。因此，在化学法水解纤维素中，如何高效破坏纤维素取向结构一直是提升纤维素水解效率的关键。

传统纤维素水解一般使用高温、强酸、高压等剧烈的条件来打破纤维素分子之间的氢键网络结构，但是在这种苛刻条件下水解的产物十分不稳定，副反应严重，因此往往无法得到葡萄糖。因此，为了防止水解过程中水解产物的分解，往往需要通过其他方式在反应前或反应中打破纤维素结晶结构，降低纤维素水解反应难度，避免这些苛刻的水解条件，实现在温和条件下的纤维素水解变糖。

各种预处理手段是在反应前打破纤维素结晶和取向结构最常使用的方法，最常用的方法包括研磨、爆破等物理方法和酸、碱、有机溶剂预处理等化学方法。球磨法已经被证实是一种有效的预处理手段，中国专利文献CN109097501A报道了通过球磨预处理，破坏纤维素分子链结构，降低纤维素结晶度，从而提高纤维素反应活性，从而实现在微波辅助弱酸条件下水解纤维素，提升水解效率和葡萄糖得率的方法；中国专利文献CN104946803A和CN100564667C报道了在球磨处理过程中配合稀酸和/或稀碱辅助，可以进一步提升破坏纤维素结构，不仅可以显著降低纤维素颗粒尺寸和结晶度，同时还可以达到脱除原料中木质素的目的，水解效率得到了极大的提升。但球磨法能耗很大且效率低，不适合大批量处理。

研究人员进一步研发了各种可以溶解纤维素的有机溶剂水解体系，通过溶解打破纤维素氢键网络结构，也可以有效提升纤维素水解能力。另外，通过向纤维素溶剂分子中引入酸性基团，可以赋予溶剂水解纤维素的能力，同步实现打破结构和水解的效果。中国专利文献CN102796143A报道了一种含磷酸基团的离子液体，作为一种绿色溶剂，这种离子液体不仅可以通过与纤维素链段之间的氢键作用打破纤维素内部的氢键网络结构，同时磷酸基团还可以作为催化基团实现纤维素水解，由于离子液体可以作为溶剂打破纤维素结构，避免了苛刻的反应条件(＜160℃)，水溶性糖得率最高可以达到100％。中国专利文献CN108950091A报道了通过含酸性基团的低共熔溶剂作为水解体系，实现纤维素在溶液状态下的水解，由于没有氢键网络的阻碍，水解温度可低于120℃，反应选择性大大提升，最高可以达到85％。但上述有机溶剂造价比较昂贵，而且葡萄糖在溶剂中分离非常困难，产物无法收集。

避免高功耗的预处理手段以及昂贵的有机溶剂体系，寻找更加绿色、简便、经济的方法，打破纤维素顽固结构，实现全水相稀酸体系中纤维素高效水解变糖是必要的。