[发明专利]生物质骨架炭-金属复合微纳结构催化材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开一种生物质骨架炭‑金属复合微纳结构催化材料。其特征是将生物质骨架炭为新型催化剂载体，以天然生物质为原料，采用合适的化学处理进行组分剥离和结构重塑，并通过绿色无污染的物理活化制备具有发达等级孔结构的生物质骨架炭。所述活性组分为金属元素钌、铑、钯、银、铂、金中的一种或几种，金属负载量为0.01‑10％。所述催化剂可实现催化剂活性组分的高度分散，同时显著强化多相还原过程中的氢气在催化剂孔道中的扩散、吸附和脱附行为，从而实现传递与反应过程的匹配，最终有效提高贵金属催化剂的催化活性和还原效率。

技术领域

本发明涉及石油化工领域，具体涉及到一种生物质炭-金属复合微纳结构催化材料及制备方法和应用。基于生物质天然多级精细结构，采用合适的化学处理进行组分剥离和结构重塑，并通过绿色无污染的物理活化制备具有发达等级孔结构的生物质骨架炭，从而实现催化剂活性组分的高度分散，同时显著强化多相加氢还原反应过程中的氢气在催化剂孔道中的扩散、吸附和脱附行为，最终有效提高贵金属催化剂的催化活性和还原效率。

背景技术

过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业，但效率低、污染重、工艺技术开发周期长、风险高，已成为其可持续发展的瓶颈。其中作为过程工业的重要环节，催化工业能够实现物质间的相互转化，占据了近代化工业中多达80％的领域，且产出约90％以上的化工品。同时，催化领域根据催化剂和反应物件的状态可划分为多相催化、均相催化剂及酶催化。鉴于分离纯化难度高的均相催化和易失活稳定性差的酶催化，多相催化以其易分离回收且高稳定性，已成为过程工业中最普遍且最核心的单元，广泛应用于各种化学生产领域中。

目前多相催化技术，在催化性能强化和工程规模放大仍存在重大挑战。究其根本，该反应是由气相反应物、液相介质和固相催化剂组成的三相体系，同时涉及反应-传递耦合的复杂过程。整体反应过程需经历反应物的液相溶解、催化剂孔道内的扩散、催化剂活性位点上的吸附和剧烈反应以及反应产物在活性位点的脱附和孔道扩散等系列行为，往往冗长繁杂的传递步骤带来缓慢的扩散速率，无法匹配快速的本质反应速率，从而未能实现催化反应的高效化。因此，化学工程领域提出蒂勒模数(蒂勒模数＝(反应速率/扩散速率)^0.5)以评价和预测反应-扩散耦合行为，定量化描述反应与传递过程的匹配关系，并推演出“蒂勒模数＝1”为反应传递协同匹配的约束条件，为催化过程的设计强化提供有效指导。

生物质基碳材料由于来源广泛、价格低廉和性质稳定，是化工过程中的潜力催化剂载体，但其孔结构的定向设计和调控成为其多相催化应用中的重要难点。充分的介孔结构以及合适的微介孔比例所构成的碳等级孔结构，能有效强化多相催化中的扩散过程，从而与催化本征反应过程匹配，达到“蒂勒模数＝1”，同时促进活性物种金属的高分散负载，实现速率和效率的同步强化。但目前生物质基碳材料的造孔过程大都采用“自上而下”策略，均是在生物质的简单碳化处理后再通过化学或物理活化手法刻蚀孔道，未能充分利用生物质自身等级化的天然多级精密结构，即由纤维素和木质素交联网络为单元、半纤维素为填充的纳微结构，无法“自下而上”地完成孔结构的孔道重塑和精密构筑。因此，面向多相催化应用，亟需研制具备等级结构的生物质骨架碳材料，并开发新型生物质骨架碳-金属复合催化材料。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种生物质骨架炭-金属复合介孔催化材料的制备方法及应用。本发明所提供的生物质骨架炭催化剂合成条件简单易控，并兼具高分散活性组分和发达等级孔道结构，在多相氧化/还原反应中呈现出高催化活性。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种生物质骨架炭-金属复合微纳结构催化材料，催化材料载体为基于生物质的组分剥离处理后活化制得的生物质骨架炭载体，催化剂金属组分为金属元素钌、铑、钯、银、铂、金中的一种或几种；以生物质骨架炭的重量为计，金属组分的负载量为0.01-10wt％。

优选：催化材料的总孔体积≥0.8cm³/g，介孔率为40-99％，金属颗粒尺寸为0.5-5nm。