顆粒在線訊：近日，中國科學院廣州能源研究所生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)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(zhì)全組分高值化利用方面取得重要進展。5月30日，相關(guān)研究成果以O(shè)xidative 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(fā)表在《ACS催化》（ACS Catalysis）上。

溫和氧化是具有應(yīng)用前景的生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化以及木質(zhì)素和單酚類物質(zhì)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(shù)瓶頸，借鑒傳統(tǒng)氧堿法造紙除木質(zhì)素工藝，基于木質(zhì)素優(yōu)先利用思路提出催化氧化分離策略并應(yīng)用于木質(zhì)纖維素組分分離，同時將木質(zhì)素氧化轉(zhuǎn)化為高附加值單酚。研究發(fā)現(xiàn)，溫和條件下成本較低的納米氧化銅顆粒（CuO NPs）表現(xiàn)出優(yōu)異的催化氧化分離性能，在將木質(zhì)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(zhì)素被轉(zhuǎn)化為芳香單體（主要為香蘭素和丁香醛)，轉(zhuǎn)化率達48.6 wt %。研究通過“分離-氧化”兩步實驗和模型反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，CuO NPs能高效催化木質(zhì)素苯丙烷側(cè)鏈C-C鍵和C-O鍵斷裂，促進木質(zhì)素氧化中間體亞甲基醌自由基向目標產(chǎn)物芳香醛酮的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(huán)的氧原子的強烈絡(luò)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(zhì)的催化轉(zhuǎn)化，為未來生物質(zhì)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(jīng)濟向利用生物質(zhì)生產(chǎn)化學品的更可持續(xù)的生物經(jīng)濟的過渡。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目的支持。

圖1.木質(zhì)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(tài)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。