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  木質(zhì)纖維素由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成，占地球上植物類生物質(zhì)的90%，是最主要的可再生碳資源。在溫和條件下選擇性切斷生物質(zhì)中的C-O或C-C鍵是其高效轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品的關(guān)鍵。和纖維素相比，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，是自然界中儲量最豐富的芳香化合物之源，其高效轉(zhuǎn)化制備高值芳香化合物將能極大提升生物質(zhì)整體利用的經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性。當(dāng)前木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化主要采用高溫高壓氫解，其苛刻的反應(yīng)條件易導(dǎo)致去官能團(tuán)化甚至碳化等副反應(yīng)。

  因此，要實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素制備高值芳香化合物，必須發(fā)展新方法在溫和條件下實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素中特定化學(xué)鍵的選擇性斷鍵。

  最近，廈門大學(xué)王野教授課題組與程俊教授課題組合作，發(fā)展了一種溫和條件下木質(zhì)素C-O鍵高效活化的新方法，首次實(shí)現(xiàn)了光催化原生木質(zhì)素轉(zhuǎn)化，并利用量子點(diǎn)催化劑的膠體性質(zhì)解決了木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化中反應(yīng)物和催化劑無法有效接觸和催化劑難以分離回收等難題，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維素的全利用。相關(guān)成果近日發(fā)表于Nature Catalysis。

圖1. 光催化原生木質(zhì)素高效轉(zhuǎn)化全路徑

  與木質(zhì)素模型分子可溶于有機(jī)溶劑不同，原生木質(zhì)素與纖維素和半纖維素交織在一起，常溫下幾乎不溶于任何溶劑。為使反應(yīng)物（原生木質(zhì)素）與多相催化劑實(shí)現(xiàn)分子水平上的有效接觸，迄今為止的研究主要采用高溫溶劑熱條件溶解木質(zhì)素的策略。然而這種策略除了能耗高之外，還會引起多種副反應(yīng)。廈門大學(xué)王野教授、程俊教授研究團(tuán)隊充分利用CdS量子點(diǎn)的膠體性質(zhì)，設(shè)計了溶解催化劑的新策略（圖2）。通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)表面的表面活性劑和溶劑，可以使量子點(diǎn)高分散或近似溶于溶劑中。高分散于溶劑中的量子點(diǎn)可以很好地與原生木質(zhì)素接觸，展現(xiàn)了優(yōu)異的催化性能。而聚集態(tài)的納米粒子催化劑則對于原生木質(zhì)素轉(zhuǎn)化性能極低。通過調(diào)控溶劑，實(shí)施可逆的“聚集-膠體化（aggregation-colloidization）”策略，可以實(shí)現(xiàn)催化劑與液相產(chǎn)物（芳香化合物）以及固相產(chǎn)物（纖維素/半纖維素）間的有效分離。

圖2. 傳統(tǒng)的溶解木質(zhì)素策略與本研究提出的溶解催化劑新策略。

  研究結(jié)果顯示，木質(zhì)纖維素（樺木粉）在可見光照射下可以得到84%的理論芳香化合物單體產(chǎn)率。在木質(zhì)素光催化轉(zhuǎn)化過程中，纖維素/半纖維素在溫和的反應(yīng)條件下基本得到了保留。特別值得一提的是，在其他的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化方法（比如氫解）中，半纖維素很難得到保留，半纖維素的有效利用被公認(rèn)為“木質(zhì)素優(yōu)先轉(zhuǎn)化”策略的最大的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步通過弱酸水解固體產(chǎn)物中的半纖維素，獲得了84%的木糖產(chǎn)率；酶解纖維素，獲得了91%的葡萄糖產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維素的全利用（圖3）。

圖3. 木質(zhì)纖維素（樺木粉）全利用過程示意圖。

  該工作為廈門大學(xué)2015級博士生吳雪嬌、2015級博士生范雪婷以及固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝順吉博士等密切合作的結(jié)果。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項目(21690082)、重大研究計劃重點(diǎn)支持項目(91545203)等項目的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-018-0148-8