生物質(zhì)是一種重要的可再生碳資源，直接或間接來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)境問題的日趨嚴峻，生物質(zhì)資源因具有可再生性和碳中性等特點，其開發(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)。通過催化轉(zhuǎn)化過程將生物質(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實驗室可再生碳資源催化轉(zhuǎn)化組長期致力于生物質(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?。Αngineering　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電子相互作用誘導(dǎo)了界面富電子Ni－V_O－Ce催化位點的生成，從而增強其對特定醚C－O鍵的選擇性吸附，同時促進界面活性H^δ?物種的形成；兩者協(xié)同作用，實現(xiàn)了C－O鍵氫解速率的顯著提高。該研究加深了對金屬－氧化物界面電子強相互作用的認識，為生物質(zhì)和廢棄塑料高值轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計提供了新思路。

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　（2024，15，8444，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。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省科技重大專項、中國科學(xué)院“西部之光”西部青年學(xué)者項目和低碳催化與二氧化碳利用重點實驗室等的支持。