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