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近日，中國科學院廣州能源研究所生物質催化轉化研究室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。5月30日，相關研究成果以Oxidative Catalytic Fractionation of Lignocellulose to High-Yield Aromatic Aldehyde Monomers and Pure Cellulose為題，以長文（Research Article）形式，在線發表在《ACS催化》（ACS Catalysis）上。
溫和氧化是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。然而，在這一過程中，碳水化合物的溶解和轉化以及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。
該研究針對上述技術瓶頸，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。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%（圖1）。其中，木質素被轉化為芳香單體（主要為香蘭素和丁香醛)，轉化率達48.6 wt %。研究通過“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。研究通過模型物反應及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（圖2）。
該研究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，為未來生物質溫和全組分高值化利用提供了指導思路，并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。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和廣東省重點領域研發計劃項目的支持。
圖1.木質纖維素催化氧化分離策略
圖2.（a）固體殘渣分離流程圖，（b）UV-vis-NIR DSR光譜、（c）Cu 2p XPS核級譜、（d）固態13C NMR譜圖和（e）FT-IR spectra of SRs，（f）酸化前固體殘渣的EDX mapping和（g）TEM圖。 |
