[00870987]木质纤维素热解过程的微观机理

该项目在国际上较早地采用分子模拟技术研究生物质中木质纤维素高温热裂解过程，探究其裂解微观反应行为，揭示裂解反应产物演化规律。主要内容覆盖了纤维素裂解初期反应过程及反应机理、高温裂解阶段小分子产物形成机制、以及木质素热分解微观反应路径。探究了碱金属离子对纤维素热解过程的影响，以及在纤维素超临界水环境下的热裂解规律。 主要的科学发现如下： 1.从微观角度阐述了木质纤维素裂解反应过程、路径及产物形成机制。针对纤维素，首次从分子层面揭示纤维素结构中糖苷键的断裂机制。揭示了纤维素裂解成小分子产物的生成机理，研究了两种反应系列包括七种反应路径。揭示了木质素结构中主要化学键的断裂规律，分析了各种取代基对键离解能的影响以及键长与键离解能的相关性。揭示了木质素热解产物的形成机制及演化规律，选取不同的木质素模型化合物研究木质素热解过程。发现热解低温阶段协同反应是主要反应，然而在高温阶段自由基均裂反应是主要反应。 2.揭示了碱金属离子局部催化及超临界水催化机理。首次提出了碱金属离子局部催化裂解模型，成功解释了在碱金属离子催化作用下纤维素裂解产物的分布规律。提出了超临界水分子催化的溶剂化学模型，水分子参与脱水反应时通过形成类似六元环的过渡态结构，促进氢原子的转移，有效地降低了整个脱水反应的反应能垒。 3.提出新型二维黑磷多孔材料应用于气体的分离。首次提出黑磷多孔材料对气体CO₂和CH₄的吸附分离，DFT理论计算表明CO₂在黑磷表面的吸附能相比CH₄较大，黑磷表面更易吸附CO₂气体分子。采用第一性原理量子化学计算方法，理论上预测黑磷孔膜材料对气体H₂高效分离性能。与石墨烯、二氧化硅和硅烯孔材料相比，基于黑磷的孔膜结构有更高的氢气分离效率。 该成果共发表SCI、EI等论文100余篇，获权发明专利1项，培养博士3名，硕士8名。研究成果为生物质热解工艺的可持续发展、生物油应用的开拓提供了理论指导。研究工作受到国内外学者的广泛关注，代表作被SCI、EI他引319次，充分体现了项目研究的科学价值及意义。