近日，中國科學院廣州能源研究所研究員王晨光與比利時魯汶大學教授Bert F. Sels合作，在生物質全組分高值化利用方面取得重要進展。相關研究以長文的形式在線發表于《ACS-催化》。
溫和氧化是一項具有應用前景的生物質催化轉化技術，可將木質纖維素類生物質轉化為高價值的化學品和纖維素材料。然而在此過程中，碳水化合物的溶解轉化、木質素和單酚類物質的縮聚和降解限制了整體碳效率的提高。
研究人員借鑒傳統氧堿法造紙除木質素工藝，基于木質素優先利用思路提出催化氧化分離策略并應用于木質纖維素組分分離，同時將木質素氧化轉化為高附加值單酚。
木質纖維素催化氧化分離策略。王晨光 供圖
研究發現，溫和條件下成本較低的納米氧化銅顆粒（CuO NPs）表現出優異的催化氧化分離性能，在將木質素催化氧化為芳香醛酮的同時抑制了纖維素水解，該方法獲得的高附加值單體和材料（纖維素）的碳效率達80%。其中，木質素被轉化為芳香單體（主要為香蘭素和丁香醛)，轉化率高達48.6 wt %。
通過“分離-氧化”兩步實驗和模型反應發現，CuO NPs能高效催化木質素苯丙烷側鏈C-C鍵和C-O鍵斷裂，促進木質素氧化中間體亞甲基醌自由基向目標產物芳香醛酮的轉化，使單酚收率超過理論值（基于β-O-4鍵的含量）；半纖維素則選擇性轉化為草酸為主的水溶性小分子脂肪酸；80%的纖維素以白色固體殘渣（纖維素純度高達95%）形式保留。
通過模型物反應及13C NMR等表征手段證明，銅陽離子與纖維素的葡萄糖鏈上的羥基及吡喃環的氧原子的強烈絡合作用是抑制纖維素水解的主要原因。
該研究中提出的催化氧化分離策略普遍適用于木本和草本生物質的催化轉化，為今后生物質溫和全組分高值化利用提供了指導思路，進一步促進從化石經濟向利用生物質生產化學品的更可持續的生物經濟的過渡。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acscatal.3c01309
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