Lewis酸催化纤维素制乳酸机理研究

Because fossil fuels are continuously depleted, valorization of biomass into valuable liquid products and chemicals is of great significance yet it remains challenging. Among many biomass-derived products, lactic acid is one of the most important renewable monomers for preparing the degradable polymer polylactic acid. The use of raw biomass to produce lactic acid through catalytic conversion is an attractive approach. In this work, the catalytic reaction performance and mechanism of different Lewis acids (Y³⁺, Sc³⁺, and Al³⁺) for the production of lactic acid from cellulose were investigated in detail by isotopic nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry. The production of lactic acid from cellulose includes tandem and competing reactions. The order of catalytic activity for the one-pot conversion of cellulose into lactic acid is as follows: Y³⁺ > Al³⁺ > Sc³⁺. The main tandem reactions involve the hydrolysis of cellulose into glucose, the isomerization of glucose into fructose (the order of catalytic activity, the same below: Y³⁺ > Al³⁺, Y³⁺ > Sc³⁺), the cleavage of fructose via a retro-aldol reaction to glyceraldehyde (GLY) and 1, 3-dihydroxyacetone (DHA) (Sc³⁺ > Y³⁺ > Al³⁺), and the conversion of DHA or GLY to the final product lactic acid (Al³⁺ > Y³⁺ > Sc³⁺). It was found that the process of glucose isomerization to fructose was the key step to the final selectivity of the tandem reaction of cellulose conversion to lactic acid, and it was clarified that the production of lactic acid from DHA underwent a keto-enol (K-E) tautomerization process rather than a classical 1, 2-shift process. First, DHA was transformed into GLY via the isomerization process, then the adjacent hydroxyl group of GLY was removed in the form of water to produce an α, β-unsaturated species. After that, the α, β-unsaturated species underwent K-E tautomerization to generate unsaturated aldehyde-ketone intermediates. Meanwhile, a molecule of water was added to aldehyde-ketone intermediates to obtain a diol product, the hydrogen atom at the methine position was transferred and the lactic acid was finally obtained through the K-E tautomerization process. The in-depth understanding of the reaction mechanism presented in this work will help to design more selective catalysts for cellulose conversion into value-added oxygen-containing small molecule chemicals.      

基于稳定一致波长优选的综纤维素近红外分析模型传递

以实现纸浆材综纤维素含量的近红外分析模型在3台不同型号光谱仪上共享为目标,提出SWCSS-UVE及SWCSS-CARS联用算法。即分别利用竞争性自适应重加权采样算法（CARS）和无信息变量剔除（UVE）算法,减少SWCSS方法中入选的无信息或信息少波长的不利影响,以提高模型转移精度,并与单独的SWCSS和分段直接标准化算法（PDS）以及斜率截距（S/B）算法校正后的传递结果进行比较。结果表明,通过SWCSS-UVE方法最终可从稳定一致光谱信号中进一步优选出91个波长建立模型,该模型能同时应用于2台从机所测量光谱的分析,预测标准偏差（RMSEP）分别从模型转移前的2.0114和9.4518下降到了1.5919与1.6818,优于SWCSS, SWCSS-CARS和PDS以及S/B算法的结果。这表明SWCSS-UVE算法可以有效剔除SWCSS方法中包含的无效波长,简化模型传递过程,提高模型传递效率和稳健性。     

可再生纤维素/环糊精聚合物对水中亚甲基蓝吸附行为

利用甘蔗渣提取纤维素修饰环糊精聚合物,成功制备可再生纤维素/环糊精聚合物（SUG-EPI-CDP）吸附剂。采用傅利叶红外光谱仪（FT-IR）与热重分析仪（TGA）对材料进行表征,同时考察了该材料对水中亚甲基蓝（MB）吸附特性和机理的影响。结果表明：在溶液pH值为7、温度为30 ℃的条件下,SUG-EPI-CDP可在120 min内有效去除MB,去除率达80.9%。通过模型拟合发现,SUG-EPI-CDP对MB的吸附是自发且吸热的过程,符合准二阶动力学方程和Langmuir等温线模型。该吸附剂实验最大吸附量达8.1 mg/g,远高于其他废料所制备的吸附剂。结果表明,利用可再生纤维素修饰可有效提高环糊精聚合物的吸附性能,同时为甘蔗渣资源化利用提供了新途径。     

羟丙基甲基纤维素在干法烟草薄片胶粘剂的应用研究

为研究羟丙基甲基纤维素(HPMC)在干法烟草薄片的应用价值,将其与3种常见胶粘剂(瓜尔胶、魔芋胶和羧甲基纤维素钠(CMC)进行对比,对不同胶粘剂体系的水溶液粘度测试、薄膜傅里叶红外光谱测试,胶粘剂及相应薄片的350℃低温热裂解分析和对应薄片抗张强度测试。结果表明：1wt%含量的HPMC水溶液10 min即可溶解,并可在烟草薄片的加工过程中调节涂布液粘度;HPMC与其他3种胶粘剂复配后存在氢键等物理交联作用,提高了对应胶粘剂制备的干法烟草薄片的纵向抗张强度,均>0.5 kN/m; 1wt%用量HPMC制备干法烟草薄片热裂解产物中有毒和刺激性物质含量低,分别为1.83%和5.31%。本文研究表明HPMC制备的干法烟草薄片综合性能较好,有较好应用价值。     

微纳米纤维素功能膜在能源与环境领域的应用

探寻绿色清洁的资源与材料以维持高效的社会经济增长是未来数十年人们面临的最大挑战之一. 可持续资源与绿色材料的开发是降低传统化石能源与材料比重的最有前途的方案. 纤维素作为一种可持续发展、 可生物再生、 储量丰富且低成本的天然高分子聚合物, 在众多领域中具有广泛的应用, 并且纤维素可以加工成各种构型, 包括气凝胶、 泡沫、 海绵和薄膜等. 本文介绍了不同形态的纤维素及其衍生物组装而成的功能膜在能源与环境中的应用, 综述了微纳米纤维素及其衍生物在先进功能化储能器件方面的最新进展和制备方案, 以及在用于水处理的膜分离技术中的应用, 其中重点讨论了微纳米纤维素及其衍生物功能膜在电池、 电容器及水处理等领域中的作用, 如隔膜、 柔性电极膜和分离膜等. 此外, 还对纤维素及其衍生物功能膜的未来发展进行了总结和展望.     

BC/CoNi2S4@PPy柔性复合电极材料的制备及电化学性能

本文采用溶剂热、原位聚合和真空抽滤相结合的方法制备了用于超级电容器的细菌纤维素/镍钴硫化物/聚吡咯(BC/CoNi₂S₄@PPy)柔性电极材料,通过X射线衍射、场发射扫描电镜、红外光谱、氮气吸脱附、拉伸强度和接触角表征了材料的形貌结构、组成、机械性能和亲水性,并采用循环伏安法和恒电流充放电测试了复合材料的电化学性能。结果表明,表面含氧官能团丰富的BC纤维网络结构对氧化还原活性物质CoNi₂S₄的生长和导电聚合物PPy的分布具有引导作用,CoNi₂S₄均匀分布在BC网络中,且PPy均匀包覆在BC纤维和CoNi₂S₄纳米球表面构成具有丰富孔隙结构的三维导电网络,使得该复合材料具有较好的机械性(抗拉强度达28.0±0.1 MPa)、亲水性(对6 mol·L^-1 KOH的瞬间接触角为43.6°)及良好的导电性。该电极材料在1 A·g^-1下比电容高达2670 F·g^-1,充放电循环10000次后比电容的保持率为82.73%,且经1000次反复弯曲后电化学性能保持不变。此外,将其与活性炭组成的非对称超级电容器,在1 A·g^-1下比电容为1428 F·g^-1,最高能量密度和功率密度分别达49.8 Wh·kg^-1和741.8 W·kg^-1。     

纤维素-三(4-甲基苯甲酸酯)手性固定相的制备及其在拆分叔丁基亚磺酰胺对映体中的应用

分别在自制的纤维素-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)(CDMPC)和纤维素-三(4-甲基苯甲酸酯)(CTMB)涂覆型固定相上对叔丁基亚磺酰胺对映体进行手性拆分,并考察了流动相中异丙醇的含量对手性拆分的影响。结果表明,叔丁基亚磺酰胺在CTMB固定相上的分离效果更佳。随着异丙醇含量的减少,叔丁基亚磺酰胺对映体在两根色谱柱上的分离度和保留时间均随之增加。对CTMB固定相进一步探究柱温的影响,结果表明较低的温度有利于对映体保持稳定的手性构型,更易于与固定相反应。     

高力学强度细菌纤维素气凝胶纤维的连续化制备

气凝胶纤维因其高外表面积和高柔韧性在能量管理系统中具有潜在应用而引起了广泛关注.但是,目前制备的气凝胶纤维力学强度较低,限制了其实际应用.为提高气凝胶纤维力学性能,在始终保持细菌纤维素(BC)纳米纤维处于湿态下,利用NaOH/尿素/硫脲复合溶剂直接低温溶解原生BC,获得透明的BC纺丝原液;通过湿法纺丝制备了BC水凝胶纤维,经过水洗和冷冻干燥后处理,制得BC气凝胶纤维.采用偏光显微镜(POM)、13C核磁共振(13C-NMR)和高级旋转流变仪研究BC在复合溶剂中的溶解过程与状态;利用全反射傅里叶变换红外吸收光谱(ATR-FTIR)、X射线衍射(XRD)和热失重(TG)研究BC溶解前后结构与性能变化;利用场发射扫描电镜(FESEM)、全自动比表面积和孔径分布分析仪、单丝强力仪对获得的BC气凝胶纤维结构与性能进行表征.结果表明,复合溶剂在?15℃条件下可以直接溶解原生湿态BC,最高溶解浓度为3 wt%;采用湿法纺丝制得高度多孔的连续BC气凝胶纤维,比表面积高达192 m^2/g且具有优异的力学性能,断裂强度和杨氏模量高达(9.36±1.68)MPa和(176±17.55)MPa,如0.4 mg BC气凝胶纤维可以支撑高于其本身质量5×10^4倍的重物.     

碱金属钾对Ni基催化剂纤维素水蒸气气化活性的影响

采用两段式催化气化方式研究了生物质热解气化过程中碱金属的挥发对Ni基催化剂活性的影响。实验结果表明,负载K盐的纤维素水蒸气催化气化过程中,K挥发后会在催化剂表面沉积,而少量K的存在和表面沉积不但能够提高镍基催化剂的抗积炭能力,而且有助于提高其催化活性,产生更多的氢气。然而纤维素中K的浓度过大,将会抑制Ni基催化剂的效果;K在催化剂上的沉积随催化剂循环次数的增加而增加,K的含量愈高,对催化剂的抑制效果愈明显,从而缩短了催化剂的使用寿命。     

醚化PBS与CMC液体复合材料的相互作用

采用聚乙二醇(PEG)对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行醚化改性,得到醚化PBS(PEG/PBS),PEG/PBS与羧甲基纤维素(CMC)共混制备了在水相均匀分散的新型(PEG/PBS)-CMC液体复合材料.结合分子模拟技术对PEG/PBS与CMC复合材料的相互作用机理进行了研究.结果表明,PEG/PBS具有预期的化学结构和优异的水润湿性;含醚链段PEG的引入有效提高了PBS分子链的极性和柔顺性,PEG/PBS与CMC之间存在氢键作用、范德华力作用、疏水作用和吸附作用.红外光谱(FTIR)中官能团(如—OH,—OCO—,—COOH,—C—O—C—等)的吸收峰频率发生偏移;光电子能谱(XPS)中C和O元素的结合能分布转移,表明PBS及PEG/PBS与CMC的官能团之间发生了相互作用;偏光显微镜(POM)和X射线衍射(XRD)结果表明,复合材料之间的相互作用为非共价键的结合;扫描电子显微镜(SEM)结果表明醚化改性后(PEG/PBS)-CMC复合材料间的相互作用增强,表面结合更紧密,相容性得到提高.