厦门大学团队发现太阳能驱动生物质全利用新方法

发布于:2021-10-25 10:55:53

实现绿色碳资源的有效利用是科学家们不断探索的课题。厦门大学王业教授的研究团队和程军的研究团队共同发现并利用量子点催化剂对木质素特定化学键的高效活化性能,首次实现了初级木质素在可见光照射下的温和条件下的完全转化。该结果发表在10月1日的《自然催化》在线版上。

生物质是由光合作用形成的各种生物,包括所有的动物、植物和微生物。木质纤维素是一种可再生的绿色碳资源,由木质素、纤维素和半纤维素组成,占地球上植物生物量的90%,是最重要的可再生碳资源。

“目前,纤维素和半纤维素的转化和利用技术相对成熟,但木质素作为一种潜在的可再生芳香化合物的原料,还远未得到有效利用。”该论文的通讯作者之一王业告诉《中国科学新闻》,木质素主要是由废物排放产生的。木质素能否被有效转化和利用,决定了生物质综合利用的经济性和可持续性。

木质素是自然界中储量最丰富的芳香化合物的来源。β-O-4键(60%)是其化学键结构中最丰富的。因此,β-O-4键的选择性断裂是获得高价值芳香化合物单体的关键。研究发现,在室温可见光照射下,纳米硫化镉能有效催化木质素模型分子中β-O-4键的断裂,其效率高于传统的高温热催化体系。

然而,当使用真实的生物质(桦木)作为原料时,硫化镉纳米粒子几乎不能催化初级木质素的转化。王业指出,这种性能差异的主要原因是初级木质素在温和条件下几乎不溶于任何溶剂,这使得反应物(初级木质素)和多相催化剂不可能在分子水*上有效接触。这也是初级木质素在此阶段温和条件下转化的主要瓶颈。

为了解决这个问题,研究人员发现并充分利用了硫化镉纳米粒子量子点的胶体性质。通过调整量子点的表面活性剂和所用的溶剂,量子点高度分散或几乎溶解在溶剂中。结果表明,在可见光照射下,理论芳香单体产率达到84%。用弱酸催化进一步水解半纤维素,得到84%的木糖产率;通过对纤维素的酶解,葡萄糖的得率达到91%,最终实现了木质纤维素的充分利用。

与需要高温高压条件、消耗氢气、产品价值和收率低的传统催化转化方法相比,太阳能催化转化只需要在温和的条件下进行,能够有效保留产品的官能团,提高生物质基化学品的附加值,木质素转化过程更加绿色环保。

*年来,纤维素乙醇示范工厂相继建成并开始试生产,表明纤维素乙醇生产技术具有良好的前景。该方法可与现有的纤维素乙醇工艺相结合,利用木质纤维素中的所有三种主要成分。“然而,工业化还需要开发更稳定的光催化剂,工业化的道路还有很长的路要走。”王业说。

https://doi.org/10.1038/s41929-018-0148-8

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