生物質(zhì)是一種重要的可再生碳資源，直接或間接來(lái)源于植物光合作用所吸收固定的二氧化碳和水。隨著化石資源的日益枯竭和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，生物質(zhì)資源因具有可再生性和碳中性等特點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)利用備受關(guān)注。由于生物質(zhì)中存在大量以C－O單鍵或C＝O雙鍵形式存在鍵合氧（約占總質(zhì)量的30％～50％），難以直接用于化學(xué)化工行業(yè)。通過(guò)催化轉(zhuǎn)化過(guò)程將生物質(zhì)中的C－O鍵定向轉(zhuǎn)化，可獲得二元醇、氨基醇和羥基酯等一系列高值含氧化學(xué)品，而開(kāi)發(fā)具有高選擇性和高穩(wěn)定性的催化反應(yīng)體系是關(guān)鍵。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所低碳催化與二氧化碳利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室可再生碳資源催化轉(zhuǎn)化組長(zhǎng)期致力于生物質(zhì)資源的高值化轉(zhuǎn)化利用，發(fā)展了一系列生物基高值化學(xué)品的催化合成技術(shù)?。?/span>Green　Chemical　Engineering　2024，　5?。?），119－131；Green　Synthesis　and　Catalysis　2024，　5?。?），42－50；ACS　Catalysis　2023，13，5170－5193；Chem　2022，8，1034－1049；ACS　Sustainable　Chemistry　＆　Engineering　2022，　10　（17），5526－5537）。

近期，該課題組以半纖維素衍生下游產(chǎn)品四氫糠醇為原料，通過(guò)構(gòu)建具有氧化物／金屬－反相結(jié)構(gòu)的稀土基非貴金屬Ni催化劑（4CeO_x／Ni），利用氧化物－金屬界面的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)特定C－O鍵的高選擇性氫解斷裂，高收率獲得了用途廣泛的1，5－戊二醇。該催化劑體系還可將系列木質(zhì)纖維素基平臺(tái)化合物及廢塑料選擇性轉(zhuǎn)化為高附加值含氧化學(xué)品。

圖1．　CeO_x／Ni反相催化劑實(shí)現(xiàn)多種生物基化合物及廢棄塑料的高值化利用

研究表明，4CeO_x／Ni反相催化劑中稀土氧化物與金屬鎳之間強(qiáng)電子相互作用誘導(dǎo)了界面富電子Ni－V_O－Ce催化位點(diǎn)的生成，從而增強(qiáng)其對(duì)特定醚C－O鍵的選擇性吸附，同時(shí)促進(jìn)界面活性H^δ?物種的形成；兩者協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了C－O鍵氫解速率的顯著提高。該研究加深了對(duì)金屬－氧化物界面電子強(qiáng)相互作用的認(rèn)識(shí)，為生物質(zhì)和廢棄塑料高值轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。

圖2．CeO_x／Ni催化劑電子結(jié)構(gòu)研究

圖3．　CeO_x／Ni催化劑選擇性吸附活化C－O鍵的研究

圖4．　CeO_x／Ni催化劑促進(jìn)H^δ?物種的形成及穩(wěn)定

相關(guān)研究成果以“Inverse　ceria－nickel　catalyst　for　enhanced　C–O　bond　hydrogenolysis　of　biomass　and　polyether”為題發(fā)表在Nature　Communications?。?024，15，8444，https：／／doi．org／10.1038／s41467－024－52704－9）。蘭州化物所趙澤倫助理研究員、高廣高級(jí)工程師和席永杰研究員為該論文的共同第一作者，蘭州化物所黃志威研究員和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)李福偉教授為共同通訊作者，蘭州化物所為第一通訊作者單位。

以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”西部青年學(xué)者項(xiàng)目和低碳催化與二氧化碳利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。