[发明专利]木质素衍生炭锚定单原子催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明为木质素衍生炭锚定单原子催化剂的制备方法及应用，以木质素和金属盐为原料，二者配制为各自的液相溶液后进行液相混合，再与氮源在惰性气体下高温热解，获得木质素衍生炭锚定单原子催化剂；以木质素衍生炭锚定单原子催化剂为催化剂，将催化剂与氧化木质素、溶剂混合放入反应釜中，通入含氧气体，并充压至1‑2MPa，以600‑800r/min的速度进行搅拌，在不高于200℃的温度下进行氧化解聚，充分反应后冷却至室温，获得木质素氧化解聚产物。该催化剂是以均匀分散的金属为活性组分的催化剂，可以实现在氧化条件下高收率、高选择性的将木质素转化为高附加值芳香族化合物。

技术领域

本发明涉及生物质转化为高附加值化学品技术领域，具体来说涉及一种木质素衍生炭锚定单原子催化剂的制备方法及应用，该制备方法能利用单原子催化剂对木质素进行氧化解聚，得到芳香酮、芳香醛等高附加值的小分子单体化合物。

背景技术

木质素是木质纤维素中含量仅次于纤维素的第二大成分，作为自然界中唯一可再生的芳香化合物资源，将其氧化解聚为高附加值芳香酮、芳香醛类化合物，具有天然优势。木质素由大量芳香结构单元通过C-O及C-C键链接而成，将其氧化解聚关键在于开发高效断裂C-O/C-C键催化剂。目前均相催化剂氧化解聚木质素多发生在酸碱条件下，且普遍存在产物与反应体系难分离问题；而常规多相催化剂的金属原子利用率较低，导致催化剂成本增加，限制催化剂的广泛应用。

单原子催化剂（SACs）兼具均相催化剂高活性位和非均相催化剂易回收优势，成为各种催化反应中的研究前沿。其中，单原子M-N-C（M一般为Fe、Co等）催化剂将非贵金属掺入氮掺杂的碳载体，具有高活性和稳定性，被广泛应用于电催化氧气还原领域。另外，传统单原子M-N-C材料制备多采用2-甲基咪唑等化学配体以限制金属原子的团聚，然而上述配体具有一定毒性，对环境构成潜在风险。

木质素作为一种三维网状结构大分子聚合物，是制浆造纸工业中的大量“废物”，以木质素作为碳源制备单原子M-N-C材料兼具资源利用和环境治理的双重意义。专利（CN114887641A）公开报道了一种以氮掺杂木质素碳点为载体的单原子催化剂及其用途，该制备方法以木质素为碳源，利用水热法制备氮掺杂木质素碳点，制备出负载型金属单原子催化剂在光催化产氢过程中展现出优良的产氢活性与稳定性。尽管目前已有木质素基单原子M-N-C催化剂制备报道，但其在木质素氧化解聚领域鲜有研究。尤其是，木质素基单原子Fe-N-C催化剂在氧气活化以及C-O/C-C键断裂方面活性位尚无报道。因此，本专利申请制备木质素基单原子Fe-N-C催化剂氧化解聚木质素，探究其在木质素氧化解聚领域活化机制，实现对木质素的高值化利用。

发明内容

为了克服多相催化剂金属利用率低及均相催化剂分离难的问题，本发明旨在开发一种以木质素为碳源的单原子Fe-N-C催化剂，利用木质素具有丰富的官能团提高锚定金属原子的能力，并将其应用在木质素氧化解聚领域。碱木质素或木质素磺酸钠自身含有金属盐在热解过程中促进碳材料孔生成，提高了比表面积；木质素自身含有N元素，热解过程进一步促进Fe-Nx物种生成，增强锚定金属原子的能力。该催化剂是以均匀分散的金属为活性组分的催化剂，可以实现在氧化条件下高收率、高选择性的将木质素转化为高附加值芳香族化合物。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种木质素衍生炭锚定单原子催化剂在木质素氧化解聚领域的应用，以木质素和金属盐为原料，二者配制为各自的液相溶液后进行液相混合，再与氮源在惰性气体下高温热解，获得木质素衍生炭锚定单原子催化剂；

以木质素衍生炭锚定单原子催化剂为催化剂，将催化剂与氧化木质素、溶剂混合放入反应釜中，通入含氧气体，并充压至1-2MPa，以600-800r/min的速度进行搅拌，在不高于200℃的温度下进行氧化解聚，充分反应后冷却至室温，获得木质素氧化解聚产物。

所述氧化木质素为木质素经过氧化预处理后获得的产物；所述木质素为碱木质素、木质素磺酸钠、硫酸木质素以及有机木质素中的至少一种。