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1 可再生资源催化技术——远景1

1.1 引言1

1.2 经济和社会背景1

1.3 技术选择4

1.4 生物质转化的工艺选择11

1.5 小结16

参考文献16

2 木质纤维素转化：化学、工艺及经济性17

2.1 概述17

2.2 引言17

2.2.1 可再生能源的需求17

2.2.2 生物质转化的必要性18

2.2.3 生物质组成19

2.2.4 燃料和化学品成分20

2.2.5 生物质脱氧21

2.3 化学工艺21

2.3.1 碳水化合物的关键反应22

2.3.2 热裂解23

2.3.2.1 化学原理23

2.3.2.2 产品应用24

2.3.2.3 生产工艺25

2.3.2.4 其他工艺研究进展25

2.3.3 气化26

2.3.3.1 化学原理26

2.3.3.2 生产工艺27

2.3.3.3 替代发展：制氢28

2.3.4 水解28

2.3.4.1 化学原理28

2.3.4.2 糖衍生物29

2.3.4.3 工艺30

2.3.4.4 研究进展30

2.3.5 发酵31

2.3.5.1 化学原理31

2.3.5.2 工艺过程32

2.3.5.3 最新进展33

2.4 经济性33

2.4.1 方法学34

2.4.2 燃料的生产34

2.4.2.1 工厂成本34

2.4.2.2 原料成本35

2.4.2.3 生产成本35

2.4.3 生产规模37

2.4.4 化学品生产38

2.5 总结和讨论39

参考文献40

3 可再生能源催化转化为生物制品的工艺选择43

3.1 概述43

3.2 引言43

3.3 生物炼制的概念45

3.4 生物质转化成生物制品的策略45

3.4.1 通过降解化合物实现生物质转化45

3.4.2 通过平台化合物实现生物质转化46

3.4.2.1 主要平台化合物的确认46

3.4.2.2 平台化合物转化为生物产品的实例47

3.4.3 通过新合成路线实现生物质转化52

3.4.3.1 一锅反应的级联催化53

3.4.3.2 一锅反应生成混合产物53

3.5 小结56

参考文献58

4 生物基油脂化学品的工业开发和应用61

4.1 概述61

4.2 原材料现状61

4.3 生态兼容性62

4.4 产品举例63

4.4.1 油脂化合物的聚合物应用64

4.4.1.1 基于二聚酸的二聚二醇65

4.4.1.2 基于环氧化物的多元醇67

4.4.2 用作润滑剂可生物降解的脂肪酸酯68

4.4.3 基于脂肪醇和脂肪酸的植物油衍生的表面活性剂及乳化剂69

4.4.3.1 脂肪醇硫酸盐（FAS）71

4.4.3.2 酰基蛋白及氨基酸（蛋白-脂肪酸缩合物）72

4.4.3.3 基于碳水化合物的表面活性剂——烷基多糖苷73

4.4.3.4 烷基多糖苷羧酸74

4.4.3.5 多元醇酯75

4.4.3.6 用于皮肤和毛发的多功能护理添加剂76

4.4.4 润肤剂77

4.4.4.1 二烷基碳酸盐77

4.4.4.2 Guerbet醇78

4.5 展望78

致谢79

参考文献79

5 源于可再生资源的精细化学品81

5.1 引言81

5.2 香草醛83

5.3 单萜84

5.4 生物碱类87

5.5 类固醇90

5.6 对映立体选择性的催化作用91

5.7 青蒿素92

5.8 达菲93

5.9 小结93

致谢94

参考文献94

6 生物质热化学转化为燃料的催化选择96

6.1 引言96

6.2 生物质作为原料制备能源97

6.3 生物质的组成98

6.4 生物炼制101

6.5 生物质预处理102

6.6 木质纤维素的热化学转化102

6.7 生物质气化104

6.7.1 干生物质的气化104

6.7.2 裂解油的催化气化105

6.7.3 气化过程化学和催化105

6.7.4 热压缩水中的气化106

6.8 生物质液化107

6.8.1 非催化高温裂解107

6.8.2 催化高温裂解109

6.8.3 水热液化110

6.9 裂解油浓缩形成燃料110

6.9.1 脱羧（DCO）110

6.9.2 水合脱氢（HDO）111

6.9.3 沸石上的裂解（FCC）111

6.10 水解112

6.11 催化剂设计的基本方法113

6.12 小结114

参考文献114

7 生物质热转化技术119

7.1 引言119

7.2 生物质资源及生物质预处理120

7.3 生物质燃烧120

7.4 生物质气化121

7.5 生物质热解125

7.6 通过生物质热转化生成燃料128

7.7 小结131

参考文献131

8 生物质热转化及其在炉排炉中NOx的排放133

8.1 引言133

8.2 可调二极管激光测量生物质转化动力学134

8.2.1 引言134

8.2.2 可调二极管激光器的栅格型反应器的实验134

8.2.3 实验装置135

8.2.4 结果136

8.3 热转化层传播机理138

8.3.1 引言138

8.3.2 模型建立139

8.3.3 试验141

8.4 炉排炉的气相计算流体力学（CFD）模型143

8.4.1 引言143

8.4.2 模型描述143

8.4.3 数值模拟与验证中查表法的结构144

8.4.4 燃烧模型在二维炉排炉中的应用145

8.5 小结145

致谢146

参考文献146

9 生物乙醇：生产工艺及产品的升级与资源化利用148

9.1 引言148

9.2 生产工艺概述152

9.3 用作生物燃料157

9.3.1 生物乙醇作为燃料添加剂157

9.3.1.1 汽油／生物乙醇混合燃料157

9.3.1.2 柴油／生物乙醇混合燃料158

9.3.2 生物乙醇和氢159

9.3.3 生物乙醇用于燃料电池161

9.4 生物乙醇改进及资源化利用162

9.4.1 转化成燃料组分162

9.4.2 转化成化学品165

9.5 小结166

参考文献166

10 甘油转化制交通燃料169

10.1 引言169

10.2 甘油170

10.2.1 甘油的性质、生产与应用170

10.2.2 来自生物柴油生产过程的甘油170

10.3 甘油与异丁烯的醚化反应172

10.3.1 反应机理172

10.3.2 醚化催化剂172

10.3.3 工艺条件173

10.3.4 醚化反应动力学175

10.3.5 作为燃料组分的甘油醚176

10.4 生物柴油工艺的改进176

10.4.1 醚化反应与生物柴油过程联用177

10.4.2 多相生物柴油工艺177

10.5 甘油重整177

10.5.1 水相重整178

10.5.2 水蒸气重整178

10.6 未来展望178

参考文献179

11 甘油催化转化181

11.1 引言181

11.2 甘油催化脱水及丙烯醛的生成182

11.3 甘油催化脱水成醚183

11.3.1 甘油低聚183

11.3.2 甘油与烯烃反应185

11.4 甘油的催化氧化187

11.4.1 电化学氧化187

11.4.2 气相催化氧化189

11.4.3 Pt/Bi催化剂上的分子氧选择性氧化甘油189

11.4.4 Au基催化剂上分子氧的选择性氧化作用192

11.4.5 分子氧以外的选择性氧化剂194

11.5 甘油的催化氢解196

11.5.1 甘油多相催化氢解196

11.5.2 甘油均相催化氢解201

11.6 甘油重整及制氢202

11.7 其他氧化反应203

11.8 小结204

致谢204

参考文献205

12 脂肪酸选择环氧化的催化过程：环境友好的路线209

12.1 引言209

12.2 非催化环氧化体系210

12.3 均相催化体系211

12.4 化学酶法环氧化体系212

12.5 多相催化体系213

12.6 钛基催化剂上脂肪酸甲酯的环氧化反应：在米兰获得的技术215

12.6.1 纯C18单不饱和脂肪酸甲酯的环氧化反应216

12.6.2 植物中得到的脂肪酸甲酯混合物的环氧化反应217

12.6.2.1 高油酸葵花籽、芫荽、蓖麻油的脂肪酸甲酯混合物217

12.6.2.2 大豆油脂肪酸甲酯的混合物219

12.7 小结220

参考文献221

13 生物催化与化学催化的集成：协同过程中的级联催化和多步转化223

13.1 概述223

13.2 引言223

13.2.1 人类化学224

13.2.2 自然化学225

13.2.3 生物-化学集成225

13.3 级联反应的类型226

13.3.1 生物-生物级联227

13.3.2 化学-化学级联229

13.3.3 生物-化学级联229

13.4 级联技术236

13.4.1 催化方法237

13.4.2 反应器设计238

13.4.3 分区238

13.4.4 介质工程239

13.4.5 细胞工厂的设计239

13.5 小结240

致谢241

参考文献241

14 制氢和燃料电池——通向可持续能源体系的桥梁技术243

14.1 引言243

14.1.1 氢能链244

14.1.2 氢气来源和生产244

14.1.3 氢气在固定和移动系统上的应用245

14.2 天然气制氢245

14.2.1 传统制氢245

14.2.1.1 天然气制氢245

14.2.1.2 其他原料生产氢气247

14.2.2 偶合CO2捕获进行制氢248

14.3 CO2捕获制氢新工艺250

14.3.1 氢气膜反应器250

14.3.2 吸附增强重整和水煤气交换252

14.4 小结和催化面临的挑战255

14.4.1 电化学制氢与转化255

14.4.1.1 电化学氢氧过程动力学255

14.4.1. 2 电解水制氢257

14.4.1.3 质子交换膜燃料电池260

14.4.1.4 固态氧化物燃料电池（SOFCs）266

参考文献271

15 清洁绿色氢能源之路275

15.1 引言275

15.2 能源可用性276

15.3 氢能的生产和分配模式278

15.4 氢燃料的成本278

15.4.1 案例分析279

15.4.2 结果280

15.5 “清洁氢能”和CO2减排范围281

15.5.1 范围282

15.5.2 氢和汽油、柴油的对比283

15.6 煤和生物质283

15.7 小结284

致谢285

参考文献285

16 太阳能光催化制氢和CO2转化286

16.1 引言286

16.2 光催化过程288

16.2.1 量子产率291

16.2.2 催化剂相关的损失294

16.2.2.1 载流体热化294

16.2.2.2 电荷分离295

16.2.2.3 主动电荷分离295

16.2.2.4 被动电荷分离295

16.2.2.5 介导电荷分离298

16.2.3 表面缺陷299

16.3 光电化学电池302

16.4 新材料304

16.4.1 晶体结构与活性304

16.4.2 可见光敏化306

16.5 小结308

参考文献309

17 结论、展望与路线图316

17.1 引言316

17.2 生物质经济的驱动力317

17.3 与催化相关联的生物能源和生物燃料的主要问题与展望318

17.3.1 生物燃料318

17.3.1.1 第一代生物燃料318

17.3.1.2 第二代生物燃料320

17.3.2 生物炼制322

17.3.3 利用生物质转化的副产物326

17.3.4 生物质作为化学生产的原料326

17.3.5 太阳能的利用329

17.4 小结330

参考文献334