网络首发||秦延林教授团队：木质素催化转化制化学品研究进展

创新点

1. 总结了近数年木质素多维解聚及升级路径的研究进展，涵盖热催化、电催化、光催化、微波辅助催化及超声催化等前沿技术手段；

2. 深度聚焦催化转化技术，从工艺类型革新、催化剂精准开发到目标产品优化全方位追踪最新动态，并深入探讨了控制反应途径和机制的关键问题；

3. 展望木质素解聚升级战略的未来走向，为攻克木质素高效利用难题、推动生物炼制产业迈向新高度提供战略指引。

通讯作者简介

秦延林教授

秦延林，广东工业大学轻工化工学院，教授，博士/硕士生导师，国家优秀青年基金获得者，广东省杰出青年科学基金获得者，广东省植物质资源生物炼制重点实验室副主任、广州市青科协副会长、广东省林学会木竹材加工利用专业委员会委员。Rare Metals期刊、Carbon Research期刊青年编委，多次担任国际和国内学术会议共同主席，获广东省科技发明奖一等奖。主要从事生物质高值利用，木质纤维素碳纤维材料，木质纤维素转化化学品及航空燃料，工业木质素分散剂，生物质碳及催化。以第一作者/通讯作者在AIChE Journal、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Chemical Engineering Science、Industrial & Engineering Chemistry Research、ACS Catalysis、《化工学报》等期刊发表论文60多篇，主持国家及省部级项目十多项，以及产业开发成果转移转化项目，授权专利近20项。

漆毅博士后

漆毅，男，广东工业大学轻工化工学院博士后，主要从事工业木质素催化转化制化学品及航空燃料、木质素基碳纤维材料、纳米催化剂的调控设计应用研究，揭示催化剂催化活性和多位点协同效应的内在关联，调控几何和本征结构有效调节催化剂对反应中间体的吸附能，为工业木质素催化转化提供一些新的理论支持。以第一/通讯作者在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Chemical Engineering Journal, ACS Catalysis, Journal of Energy Chemistry等发表SCI论文8篇(封面论文1篇），申请国家发明专利2件，其中授权专利1件。主持国家自然科学基金青年基金项目，中国博士后科学基金第74批面上项目，入选2023年度国家资助博士后研究人员计划（B档）。以主要成员参与国家自然科学基金面上项目，广东省重点研发项目、广东省基础与应用基础研究基金-杰出青年项目等。

木质素催化转化制化学品研究进展

作者

曾学梽¹，王文雨¹，霍敏贤¹，漆毅^1,*，邱学青^1,2,3，林绪亮^1,2,3，秦延林^1,2,3,*

单位

1. 广东工业大学轻工化工学院广东省植物质资源生物炼制重点实验室

2. 广东省化学与精细化工实验室揭阳中心

3. 广东工业大学广东省生态安全与绿色发展卓越基础研究中心

基金项目

国家自然科学基金资助项目（22422802, U23A6005, 22408057）

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摘要

随着化石燃料消耗对环境的负面影响日益加剧，全球能源结构正逐步向可持续方向转型。木质素作为自然界中丰富且可再生的芳香族生物质资源，被视为化石资源和工业原料的潜在替代品，受到了学术界和工业界的广泛关注。通过催化解聚将木质素转化为高附加值化学品（如酚类化合物和生物燃料等）是实现其增值的有效途径。然而，由于木质素具有稳定的结构和复杂的空间构型，其催化转化过程中常出现缩聚现象和产物复杂等问题，导致反应转化率和选择性较低，从而限制了木质素解聚的大规模应用。因此，开发高效的催化转化策略，通过精准控制断键方式和抑制反应中间体的缩聚，实现木质素向精细化学品的高效转化，是一项重要挑战。近期研究提出了多种木质素解聚和升级策略，其中化学策略如热催化、电催化、光催化、微波辅助催化和超声催化等被广泛应用。详细介绍了催化转化技术在工艺类型、催化剂开发和目标产品方面的最新进展，并深入探讨了控制反应途径和机制的关键问题，以期为研究人员提供有价值的见解。最后，展望了木质素解聚升级战略的前景和面临的挑战。

研究背景

全球经济增长、城市化和人口增长很大程度上依赖于有限化石燃料的开采和利用。由于化石燃料消耗的持续增长，全球CO₂排放量已攀升至33.1GT，加剧了全球变暖和气候变化等严重环境问题。随着化石燃料的逐渐枯竭，世界对环境保护和资源节约的重视程度越来越高，可再生能源已成为实现可持续发展的迫切需求。木质纤维素生物质因其环保、可持续和低成本等优点而被认为是化石基炭资源的理想替代品，并被广泛用于生产生物燃料和有价值的化学品。木质纤维素生物质主要由纤维素（40%~50%）、半纤维素（25%~35%）和木质素（15%~30%）3种聚合物成分组成，其中半纤维素和纤维素是C5和C6糖的聚合物。目前，最先进的生物燃料生产策略集中于纤维素和半纤维素的转化，这些策略已经得到深入研究，并在生物燃料和重要化学品（如生物乙醇、5-羟甲基糠醛、糠醛和乙酰丙酸）的工业生产中形成了一套成熟的技术体系。然而，木质素的利用率相对较低，引起了越来越多的关注。

木质素作为自然界中第二大的生物聚合物和最丰富的芳香族化合物来源，是一种重要但尚未被充分利用的资源。木质素主要来源于木质纤维素乙醇工艺和纸浆造纸厂，由苯丙烷结构单元通过C—C和C—O键无序连接形成复杂的三维天然聚合物网络。木质素主要由3种单体木质素组成：对香豆素、松香素和芥子醇，分别对应对羟基苯基（H）、愈创木酚（G）和丁香酚（S）单元。木质素含有大量的官能团和化学键，这些键和基团的复杂交织赋予了其顽固性极高的结构和显著的异质性，这也是木质素在大多数生物质精炼过程中无法被有效利用的重要原因之一。目前，全球造纸工业每年加工大量的木质纤维素生物质，产生大约1.5亿~1.8亿t木质素作为工业副产品，但利用率不到2%。大部分木质素被认为是废物而被丢弃或用作低价值燃料，不仅浪费资源，还造成严重的环境污染。因此，为了实现生物质精炼战略的可持续发展，将可再生木质素高效转化为高附加值的化学品和生物燃料尤为重要。这种转换不仅有助于资源的深度循环，也是实现绿色经济和减少对化石燃料依赖的重要措施。

木质素在生物炼制中起到关键作用，在过去的几十年里，由于木质素在生物精炼中的重要性，利用木质素生产增值化学品、替代燃料和平台化合物的研究发展迅速。一些综述总结了木质素直接或化学改性作为可再生材料的应用，例如生物分散剂、木板产品、乳化剂、聚氨酯泡沫、用于汽车制动器和印刷电路板的环氧树脂，以及作为热塑性材料的主要成分。除了这些应用，木质素解聚成芳烃以替代石化工业，可能是最具有前景的可持续利用途径。开发新技术和提高成本效益的解聚战略，使用新型催化剂实现木质素的高效解聚，正日益受到关注。为了深入了解木质素的结构，目前已开发一些先进的分析技术。研究木质素结构化学的最新进展，结合现代反应器（如高压视觉容器）、先进的催化技术和表征技术的发展，极大地推动了木质素转化技术在各个领域的实质性进步和创新。这些改进在采用氢解、氧化、光催化、电催化、微波辅助、超声辅助等手段生产芳香化学品和液体燃料过程中尤为显著。木质素通过催化转化手段实现木质素的高值化利用总结（见图1）。这些增值策略对木质素利用技术的发展具有重大意义。

部分图表

图1 木质素催化转化策略

注：蓝色箭头表示与氧化有关的步骤，绿色箭头表示与还原有关的步骤。

图2 木质素的异质光催化转化的一般机制^[48]

图3 （a）多孔有机骨架-咔唑共聚物光催化还原断裂β—O—4键中的C_β—O键^[26]，（b）吩噻嗪 (PTH) 光催化还原断裂木质素β—O—4键中的C₄—O键 (芳基醚)^[53]

引文格式

曾学梽, 王文雨, 霍敏贤, 漆毅, 邱学青, 林绪亮, 秦延林. 木质素催化转化制化学品研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-14[2025-03-07]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250211.

ZENG Xuezhi, WANG Wenyu, HUO Minxian, QI Yi, QIU Xueqing, LIN Xuliang, QIN Yanlin. Research Progress on Catalytic Conversion of Lignin to Chemicals[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2025-03-07]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250211.

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期刊简介

《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。

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编辑｜姚情璐

审核｜金丽丽

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