极致专注单原子催化丨张涛院士课题组2020年代表性研究成果集锦!
纳米人编辑部 2021-03-11
纳米人编辑部对全球重要科研团队2020年代表性成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是中国科学院院士、发展中国家科学院院士、加拿大工程院国际院士、中国科学院副院长、中科院大连化物所张涛研究员课题组


张涛院士课题组主要从事工业催化的研究,首次提出“单原子催化”新概念,开创了一个新的研究方向,并长期引领国际单原子催化领域的潮流。张涛院士三次获得国家技术发明二等奖,负责研制的新型催化剂应用于我国航天、航空、石油化工领域。已培养毕业研究生一百余人,发表论文450余篇(SCI收录),他引9000余次,申请发明专利一百余件(国际专利20余件)。

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张涛院士课题组部分代表性研究成果包括但不限于:
由于张涛院士成果颇丰,在诸多领域均有重要成果,此处仅列举其中几种,欢迎大家留言补充。
1)首次提出“单原子催化”新概念,真正实现在原子尺度上构筑催化剂活性位,为实用催化剂的设计提供启示;
2)在国际上首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应,开辟了生物质转化新路线;
3)针对毫秒时间尺度的推进剂快速分解气体膨胀反应过程,在孔径可控的新型有序介孔氧化铝、有序介孔炭材料、具有类贵金属性质的过渡金属碳/氮/磷化物催化剂研究方面取得较大进展;
4)在应用研究方面,系统开展了航天航空催化剂的应用基础研究,率领科研团队在催化科学和技术研究中做出创造性成果,负责研制的新型催化剂广泛应用于我国航天、航空和石油化工等领域,为我国载人航天等工作做出重要贡献。

此外,张涛院士课题组在航天无毒推进剂催化分解技术、催化新材料、CO2还原以及生物质催化转化等相关领域也进行了大量科学探索,取得了一系列重要进展。因篇幅原因,此处不做详细介绍。

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有鉴于此,纳米人编辑部简要总结了张涛院士课题组2020年部分重要研究成果,供大家交流学习。
1)由于相关论文数量较多,本文仅限于通讯作者论文,如有重要遗漏,欢迎留言补充。
2)由于学术水平有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。
3)由于篇幅限制,部分成果未详细解读,仅以发表截图展示。

2020年,张涛院士团队极致专注于单原子催化剂的制备和生物质催化转化领域的研究,取得的重要成果包括但不限于:
1)在单原子催化剂制备方面,发展了一系列新型的单原子催化剂制备技术,尤其是在高单原子位点密度和高热稳定性的单原子催化剂制备领域取得了重要突破,为设计制备即使在苛刻的服役条件下也具有优异催化性能的催化剂提供了新的思路。
2)在生物质催化转化方面,发现了调控生物质催化转化选择性的一些新方法,在CO2还原、甘油选择性氢解、芳香烃氢甲酰化等领域通过对催化机理的深入研究,显著改善了催化剂的催化活性和选择性和稳定性。

其中,2020年最具代表性的成果包括但不限于:
1)发展了一种简单,通用且环保的高热稳定性单原子催化剂制备方法
2)首次通过反应耦合的方式调控产物的区域选择性
3)发现单原子Pt和TiO2之间的强金属-载体相互作用
4)发现强金属--载体相互作用可以改善催化活性

本文主要篇幅将分为以下三个方面展开:
Part Ⅰ 代表性成果
Part Ⅱ 单原子催化技术
PartⅢ 生物质催化转化

2020年代表性成果1
一种简单通用且环保的高热稳定性单原子催化剂制备方法
单原子催化剂(SACs)在许多异相反应中均表现出优异的催化性能。然而,以简单且可扩展的方式生产热稳定的SACs仍然是一项艰巨的挑战。2020年,中科院大连化物所张涛院士,李为臻,乔波涛等人报告了通过将亚微米RuO2聚集体料与MgAl1.2Fe0.8O4尖晶石(MAFO)进行物理混合,从商业RuO2粉中合成Ru-SACs的制备策略,Ru/MAFO催化剂对N2O分解表现出优异的催化性能和热稳定性。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果2
单原子催化剂上芳香烃氢甲酰化区域选择性调控
烯烃与合成气通过氢甲酰化反应制备醛类精细化学品,是化工生产中最重要的均相催化过程之一。针对苯乙烯类底物,探索控制其氢甲酰化反应区域选择性的新方法,具有极大的吸引力和挑战性。2020年,中科院大连化物所乔波涛研究员和张涛院士等人,首次发现通过反应耦合的方式调控产物的区域选择性:在不加任何配体的情况下,通过与水汽变换反应耦合,苯乙烯可高选择性地转化为3-苯基丙醛,正异比高达3:1。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果3
发现了Pt单原子和TiO2之间的强金属-载体相互作用
金属-载体之间的强相互作用(SMSI)在非均相催化领域引起了广泛关注。然而,单原子催化剂是否可以表现出SMSI仍然未知。2020年,中科院大连化物所张涛院士,乔波涛研究员报道了对Pt/TiO2催化剂的SMSI进行研究,发现SMSI可以在Pt单原子和TiO2之间发生,但其温度要比Pt NPs和TiO2之间的温度高得多。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果4
强金属--载体相互作用改善催化活性
在费托合成反应中,CO解离并进一步加氢形成CHx中间物种的步骤至关重要,通常发生在Fe、Co、Ru金属表面,其中金属Ru表现出最优的反应性能。然而,Ru基催化剂存在明显的粒径效应,8 nm左右的Ru NPs才具有较高的费托反应活性,这严重降低了Ru的利用率。有鉴于此,中科院大连化物所张涛院士,杨小峰研究员,黄延强研究员,苏雄副研究员报道了通过调节在Ru纳米颗粒(2 nm)上由SMSI形成的TiOx覆盖层,可以提高Ru/TiO2纳米催化剂在FTS中的催化活性。(技术详情参见本文正文)

Part Ⅱ 单原子催化技术

张涛院士带领研究团队在国际上首次报道了单原子催化剂的制备与性能,并在此基础上提出了“单原子催化”的概念。由于单原子催化剂兼具均相催化剂的“孤立活性位点”和多相催化剂“稳定易分离”的特点,因而被认为有望开辟均相催化剂多相化的新途径。单原子催化现已成为催化领域新的前沿与热点之一。

2020年,张涛院士课题组在单原子催化剂的合成技术及催化机理研究等方面取得了重要进展,具体如下:

1. 强大的金属-载体相互作用助力热稳定单原子催化剂的可扩展生产|Nat Commun
单原子催化剂(SACs)在许多异相反应中均表现出优异的催化性能。然而,以简单且可扩展的方式生产热稳定的SACs仍然是一项艰巨的挑战。近日,中科院大连化物所张涛院士,李为臻,乔波涛等人报告了通过将亚微米RuO2聚集体料与MgAl1.2Fe0.8O4尖晶石(MAFO)进行物理混合,从商业RuO2粉中合成Ru-SACs的制备策略。

研究人员首先实现了MAFO在高温下将亚微米Ru聚集体分散成单个原子的卓越功效。将商业RuO2粉代替亚微米RuO2聚集体和MAFO进行简单的物理混合研磨,并在900 °C的空气中(表示为Ru1/MAFO-900)或500 °C(表示为Ru/MAFO-500)中煅烧5小时。采用AC-HAADF-STEM证明了MAFO尖晶石载体上有高密度均匀分散的Ru单原子。对于2%(重量)Ru负载的催化剂,优化的Fe比应为x =1;对于较低的Ru含量,需要进一步研究优化的Fe含量。研究认为,只要存在足够的稳定位点,铁含量越小越好。该方法简单,通用,环保且高度可扩展,为工业应用提供了大规模生产热稳定SAC的机会。

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Liu, K., Zhao, X., Ren, G. et al. Strong metal-support interaction promoted scalable production of thermally stable single-atom catalysts. Nat Commun ,2020.
DOI: 10.1038/s41467-020-14984-9
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14984-9

2. 基于金属-氧化物相互作用的单原子催化剂| Chem. Rev.
分散在氧化物载体上的金属原子构成了一大类单原子催化剂。有鉴于此,大连化物所张涛院士、乔波涛等人,综述了氧化物负载单原子催化剂的合成方法、表征以及在热催化中的反应机理,例如水煤气变换反应,选择性氧化/氢化和偶联反应。

着重介绍了氧化铁、氧化铈、二氧化钛、氧化铝等典型氧化物材料在锚定金属原子和参与催化反应中的独特作用。总结了金属原子与氧化物载体之间的相互作用,以说明如何稳定金属原子中心,并合理调整单个原子的几何结构和电子态。此外,基于对金属-氧化物相互作用的最新认识,提出了制备性能更好的单原子催化剂的几个方向。

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Rui Lang et al. Single-Atom Catalysts Based on the Metal–Oxide Interaction. Chem. Rev., 2020.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00797
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00797

3. Pt单原子和TiO2之间的强金属-载体相互作用|Angew.
金属-载体之间的强相互作用(SMSI)在非均相催化领域引起了广泛关注。然而,单原子催化剂是否可以表现出SMSI仍然未知。有鉴于此,中科院大连化物所张涛院士,乔波涛研究员报道了对Pt/TiO2催化剂的SMSI进行研究,发现SMSI可以在Pt单原子和TiO2之间发生,但其温度要比Pt NPs和TiO2之间的温度高得多。

在金属纳米颗粒上,往往会产生M-Ti-O结构以降低自由能。研究人员发现,的单原子Pt催化剂上也存在类似的Pt-Ti-O结构,其中Ti3+也通过电子顺磁共振(EPR)测量显示。在SMSI下,Pt单原子既不会被TiO2载体覆盖,也不会嵌入TiO2载体的表面。LEIS和DFT计算表明,抑制CO吸附在Pt单原子上的原因是配位饱和(18电子作用),而不是载体的物理覆盖。而是由于它们像Ti3+一样被H配位饱和。基于该新发现,揭示了在3-硝基苯乙烯氢化反应中,单个原子是真正的活性位点,而Pt NP通过选择性地包封NP位点几乎没有贡献活性。

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Botao Qiao, et al, Strong Metal–Support Interactions between Pt Single Atoms and TiO2, Angew. Chem. Int. Ed., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202003208
https://doi.org/10.1002/anie.202003208

4. 单原子催化剂上芳香烃氢甲酰化区域选择性调控|Angew.
烯烃与合成气通过氢甲酰化反应制备醛类精细化学品,是化工生产中最重要的均相催化过程之一。在经典氢甲酰化条件(以氢气作为氢源)下,与链状烯烃相比,苯乙烯类底物由于苯环的电子效应,在氢甲酰化反应中更倾向于生成支链醛。只有在体系中加入结构更为复杂的多齿有机膦配体,才可高区域选择性地获得直链醛产物。该有机膦配体高昂的价格和更为复杂的制备过程限制了其实际应用。因此,针对苯乙烯类底物,探索控制其氢甲酰化反应区域选择性的新方法,具有极大的吸引力和挑战性。
有鉴于此,中科院大连化物所乔波涛研究员和张涛院士等人,首次发现通过反应耦合的方式调控产物的区域选择性:在不加任何配体的情况下,通过与水汽变换反应耦合,苯乙烯可高选择性地转化为3-苯基丙醛,正异比高达3:1。研究发现,以Rh1/CeO2 SAC为催化剂,不加任何有机膦配体,在经典氢甲酰化条件下,苯乙烯氢甲酰化的正异比≤1;而当以CO、H2O和苯乙烯为初始原料,通过水汽变换原位产氢提供氢源时,产物醛的正异比可至3。通过一系列对照实验,推测这是因为水汽变换产生的原位氢破坏了反应中间体的稳定结构,抑制了趋向于选择性生成异苯丙醛的反应机制,从而造成更高的正异比。另外,与Rh单原子催化剂相比,CeO2负载的Rh纳米催化剂用于这一串联催化体系时,产物为苯丙醇,并且依然是正构产物为主;而均相Rh催化剂由于催化水汽变换能力较差,导致在这一串联体系中表现出极低的活性。

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Tianbo Li et al., Styrene Hydroformylation with In Situ Hydrogen: Regioselectivity Control by Coupling with the Low‐Temperature Water–Gas Shift Reaction. Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202000998
https://doi.org/10.1002/anie.202000998

5. 提升低温CO催化氧化效率,Rh单原子再建奇功| Chem. Commun.
汽车尾气CO减排对减少大气CO污染有着至关重要的作用,虽然贵金属催化剂可以有效地在低温条件下催化氧化CO从而减少其排放,贵金属高昂的价格也阻碍了贵金属催化剂在汽车CO减排领域的应用,其关键在于开发低贵金属用量的高效CO氧化催化剂。有鉴于此,考虑到二氧化铈(CeO2)优异的储氧性能,中科院大连化物所的乔波涛张涛院士等通过CeO2廉价的CeO2负载铑(Rh)单原子,成功合成了低Rh原子用量的Rh1/CeO2材料,并探究了其低温条件下CO的催化氧化效果。

研究发现,Rh1/CeO2比Pt1/CeO2和Pd1/CeO2展现出更加优异的低温CO转化效果,在温度约为150 oC时,Rh1/CeO2的CO转换率就可达到100%,而对于Pt1/CeO2和Pd1/CeO2,其100% CO转化率的温度则高达350-400 oC。Rh1/CeO2经过50 h的稳定性测试后效率降低至88%,通过将效率降低的Rh1/CeO2经过还原再生,发现其效率可以完全恢复,因此推断其失活机理为Rh原子在CO氧化过程中自身也会氧化从而失活。机理研究表明,CO在Rh1/CeO2表面的氧化过程可能遵循Mars-vanKrevelen机理,吸附的CO和晶格氧反应生成CO2被认为是CO在Rh1/CeO2表面氧化的速控步骤,并且,反应过程中CO对Rh原子的毒害作用并不明显。

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Han et al., Highlyactive Rh1/CeO2 single-atom catalyst forlow-temperature CO Oxidation, Chem. Commun., 2020.
DOI: 10.1039/D0CC00230E
https://doi.org/10.1039/D0CC00230E

PartⅢ 生物质催化转化

作为可再生能源重要组成部分的生物质能源,实现其清洁高效地转化为能源化学品已经成为国家的重要发展战略。目前,生物质催化转化仍存在催化剂活性较低、选择性较差、稳定性不足等问题,阻碍了该技术的大规模应用。

2020年,张涛院士课题组在改善生物质转化催化剂的活性和选择性等等方面取得了重要进展,具体如下:

6. 通过调节Ru/TiO2纳米催化剂上的TiOx覆盖层以调控费托合成反应| Nat Commun
通过费托合成(FTS),可以将非石油资源(来自煤炭、天然气或生物质)转化为高附加值的化学品和燃料,并且具有经济高效和环境友好等优点。SMSI可以用来作为提高FTS中金属催化剂催化活性的一种替代策略,这种促进作用一般归因于金属和载体之间的界面,其作为一个新的活性中心,在反应中具有更高的活性。然而,这些新生成的界面的催化机制和内在作用仍然难以捉摸。

有鉴于此,中科院大连化物所张涛院士,杨小峰研究员,黄延强研究员,苏雄副研究员报道了通过调节在Ru纳米颗粒(2 nm)上由SMSI形成的TiOx覆盖层,可以提高Ru/TiO2纳米催化剂在FTS中的催化活性。

通过对催化剂预还原条件的微调,成功制备了高活性的Ru/TiO2 FTS催化剂。随着还原温度的升高,TiOx覆盖层逐渐包覆Ru纳米颗粒。450°C下还原的催化剂在温和的条件下表现出较高的本征活性和较低的表观活化能。研究发现,在FTS过程中,TiO2覆盖层的参与促进了CO的解离,对活性的提高起着至关重要的作用。同时,在Ru纳米颗粒上形成的优化的TiOx覆盖层明显能够捕获吸附在Ru/TiOx界面上的羰基氧,因此又促进了C-O键的断裂。

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Zhang, Y., Yang, X., Yang, X. et al. Tuning reactivity of Fischer–Tropsch synthesis by regulating TiOx overlayer over Ru/TiO2 nanocatalysts. Nat Commun 11, 3185 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-17044-4
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17044-4

7. 了解Pt/WO3/Al2O3催化剂在甘油氢解反应中的失活行为|Chinese Journal of Catalysis
甘油选择性氢解为1,3-丙二醇对于提高生物柴油的获利能力和生物质的增值均是非常重要的反应。尽管已经致力于增强催化活性和选择性的深入研究,但是很少关注稳定性,尽管后者对于实际应用至关重要。有鉴于此,中科院大连化物所张涛院士和王爱琴研究员等人,研究了Pt/WO3/Al2O3的稳定性并在700小时的运行时间内观察到了连续的失活趋势。

研究表明,活性钨的浸出和焦化都不是造成失活的原因。XRD,HAADF-STEM和CO的化学吸附结果清楚地显示了Pt颗粒的显着聚集,这导致Pt-WOx界面位明显减少。通过在Pt-WOx界面处的H2离解而原位形成的强布朗斯台德酸位点被减少,导致催化剂失活。

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Nian Lei et al., Understanding the deactivation behavior of Pt/WO3/Al2O3 catalyst in the glycerol hydrogenolysis reaction. Chinese Journal of Catalysis, 2020.
DOI: 10.1016/s1872-2067(20)63549-5
https://doi.org/10.1016/S1872-2067(20)63549-5

8. Cu-MFI催化剂用于乙醇氧化为乙醛| ACS Catal
Cu基催化剂广泛应用于乙醇的非氧化脱氢反应,但是该催化剂常面临失活的缺点。有鉴于此,大连化物所张涛、郑明远、Xiaofeng Yang等报道了一种多级结构海胆状结构Cu-MFI-AE催化剂,在乙醇催化中展示了较高的乙醛选择性、稳定性,该催化剂中多级结构MFI和Cu界面上生成Cu-O-Si结构,抑制了Cu纳米粒子的团聚,稳定了Cu+物种。

该催化剂中Cu+、Cu物种通过协同催化进行,其中Cu+用于生成甲醛、Cu0用于释放H2,这种界面相互作用是稳定金属纳米粒子,同时不改变乙醇转化反应过程中的活性位点。该催化剂在523 K中进行500 h催化反应中,乙醛的选择性达到93 %,乙醇的转化率达到97 %。催化剂中Cu+、Cu0进行循环的过程中,对吸附乙醇的O-H、C-H键活化,促进H原子转移反应、结合反应。界面上的Cu-O-Si结构抑制Cu+还原为Cu0和Cu粒子团簇,从而改善催化剂的活性。

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Jifeng Pang, Mingyuan Zheng,* Chan Wang, Xiaofeng Yang,* Hua Liu, Xiaoyan Liu, Junming Sun, Yong Wang, and Tao Zhang*, Hierarchical Echinus-like Cu-MFI Catalysts for Ethanol Dehydrogenation, ACS Catal. 2020, 10, 13624−13629.
DOI: 10.1021/acscatal.0c03860
https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c03860

9. TiO2-WO3负载铂催化剂用以光热催化氧化丙烷|Angew.
将半导体上的光催化与负载型非等离激元金属上的热催化结合在一起的光热催化法已经成为提高催化性能的一种有效的方法。在许多典型的反应中,研究人员已经深入研究了将光子和热刺激耦合于等离激元金属(Au,Ag,Cu)的光热催化机理。相比之下,目前仍然缺乏从热催化和光催化的角度对半导体负载的非等离子体金属(Pt,Pd,Rh)进行光热催化的深入了解。

有鉴于此,大连化物所张涛院士,刘晓艳等人报道了在高O2/C3H8比的情况下,Pt/TiO2-WO3催化剂对丙烷(C3H8)的优异的催化氧化性能。为深入研究半导体负载的非等离激元金属催化剂的光热催化提供了新的途径。在低温和高O2/C3H8比(体积比:20)下,半导体负载的Pt催化剂(Pt/TiO2-WO3)的光热催化能够显著增强C3H8的催化氧化。随着紫外线-可见光的照射,C3H8转化率为70%(T70)的反应温度从324 ℃降低到90 ℃,表观活化能(Ea)降低了十倍以上。反应物的反应级数(n)急剧变化,特别是当O2从-1.4增加到0.1时,可以解决Pt催化剂氧中毒的问题。通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱法(DRIFTS)首次发现,在光热反应中,过氧碳酸盐(-OCO3)作为该反应的中间体,同时,原位电子顺磁共振(EPR)确定超氧阴离子(O2-)为活性氧。结合通过原位表征检测到的碳质中间体和活性氧,提出了低温下光热催化的新反应路线。

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Kang, L., et al, Photo‐thermo catalytic oxidation over TiO2‐WO3 supported platinum catalyst. Angew. Chem. Int. Ed.., 2020。
DOI: 10.1002/anie.202001701
https://doi.org/10.1002/anie.202001701

10. 攻克瓶颈问题,生物质未来可期!| Science点评
古语有云,“除了钱,你可以把生物质变成一切(you can make everything from biomass except money)”。这句话,道出了木质纤维素转化为燃料和化学品在成本上的巨大挑战。2020年3月20日,比利时KU Leuven大学Bert F. Sels教授和廖玉河等人在Science发表研究论文,以更全面的化工手段来解决这个关键问题。研究团队直接以硬木为原料,生产出三种原料以进行进一步优化。木质生物质转化为两种大宗化学品:苯酚和丙烯。同时,碳水化合物纸浆可用于生产生物乙醇,酚醛低聚物可用来生产油墨和生物树脂,整个过程的总体转化效率达到78 wt%(基于投料质量计)。技术经济分析和生命周期评估都表明,这套工艺具有极高的经济可行性,技术可行性以及可持续性。这一研究为生物质的大规模工业应用,打开了新的局面。中科院大连化物所张涛院士受Science邀请撰文,对此工作进行述评。

瓶颈在哪里?
由于纤维素和半纤维素更容易加工,因此,在当前生物质转化的研究中,大多数研究人员都致力于将纤维素和半纤维素从木质素中分离出来。然而,如何提高甲氧基化的苯丙烷类木质素生物聚合物的含量,以实现增值作用,已成为生物质转化领域的瓶颈问题。
虽然已经有大量研究想要攻克木质素的增值转化,但是大多数都以木质素相关模型化合物为研究对象。使用真正木质纤维素实现成功转化的案例,少之又少。另一方面,当前的木质素转化策略,所产生的大多是酚,芳烃及其低聚物的混合物,必须经过行昂贵且耗能大的分离操作,才能在下游产品中独立使用。

新方案:从工艺和工程的角度出发
和传统的以化学为中心的研究相反,在这项研究工作中,研究人员更多的是采用了化工的手段。其中,木质素的有效增值包括三个步骤:
1)RCF(还原性催化分馏):以硬木为原料,Ru/C为催化剂,通入氢气的条件下,对分馏加工的硬木纸浆进行催化还原,以接近理论的收率(约50 wt%)生成含有酚类单体的木质素油碳水化合物纸浆
2)单体的提取:木质素油中添加六倍左右用量的正己烷进行萃取,分别得到木质素单体低聚物
3)单体转化:漏斗式催化过程,产生苯酚和丙烯。
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工艺路线

全面利用,不留残渣
这种“木质素优先”策略,克服了反应性中间体的缩合,实现了几乎完全的脱木质素效果,而且碳水化合物的降解很少。单体萃取的方式,也非常经济有效,简便操作。以木质素为基础,该方法最终以20 wt%的收率产生苯酚,并且联产9 wt%的丙烯。

为了使该技术可持续发展并在经济上可行,木质生物质中所有成分的充分利用至关重要。从木质素原油中提取单酚后,研究人员利用低聚物制造高质量印刷油墨,可替代化石基对壬基苯酚,这为酚醛低聚物提供了未开发的市场潜力。至于在RCF步骤中产生的碳水化合物纸浆,在经过糖化发酵过程之后,它可以很容易地转化为乙醇。

最关键的挑战:木质素单体如何转化为苯酚?
寻求有效的催化方法,将木质素单体转化为苯酚,是证明木质素制苯酚生物精炼概念的关键步骤。其核心难点在于:酚类单体在苯环的不同位置上都含有甲氧基和其他通用取代基,而它们的键解离能相似。如何在在不破坏苯环和酚羟基的情况下除去这些官能团,是当前催化领域的关键挑战。
为了达到这个目标,研究人员奇思妙想,提出了一种“漏斗式催化”的概念,通过逐步,解决了这一问题:
1)去除甲氧基。采用经济可行的非贵金属催化剂Ni/SiO2,进行了无溶剂和无硫的连续催化气相加氢处理。模型化合物的研究表明,分散良好的Ni/SiO2催化剂通过直接脱甲氧基化或串联脱甲基化-脱羟基化反应,对不同的甲氧基化烷基酚均具有较好的催化效果。木质素单体混合物的加氢处理在几乎完全转化的情况下,实现了对正丙基苯酚和乙基苯酚的高选择性(75%至85%)。
甲氧基裂解反应没有形成一氧化碳或二氧化碳,主要副产物是水和甲烷。水有利于在下一脱烷基步骤中保持强大的催化活性,而甲烷可以与其他步骤中生成的小分子(例如过量的H2,乙烯,甲醇和乙酸甲酯)一起焚烧,以提供加热,冷却和电力等所需的能源。
2)脱烷基。研究人员开发了基于ZSM-5的分级催化剂,并将其命名为Z140-H。该催化剂具有平衡的微孔和中孔网络,对粗烷基酚缩合物的脱烷基化具有良好的效果,苯酚和烯烃的合并产率为82%。具有较小或较大孔径的沸石不起作用,这是由于孔限制或缺乏形状选择转化所需的孔限制。这些发现强调了沸石分层在脱烷基反应中的重要性以及对定制催化剂的需求。

实用性:经济、技术和生命周期评估
技术经济分析表明,自供能源足以运行一体化生物提炼厂。对于年产100吨生物酚的工厂,预期内部收益率为23.33%,使用寿命为20年的工厂的回收期约为4年。此外,生命周期评估表明,与基于化石的同类产品相比,苯酚和丙烯的碳印迹要低得多。综合评估制造投资,生产效率和产品价格以及较低的碳印迹,该工艺在实际应用方面,潜力无限。
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生命周期评估

哪些问题悬而未决?
这项研究不仅为从木质素生产苯酚和丙烯提供了极具价值的新方法,而且还实现了木质纤维素中所有组分的充分利用。但是,大规模商业化之前,至少还必须解决以下关键问题:
1)研究非硬木原料的可行性。例如松木,玉米秸秆和蔗渣,以提高通用性。
2)研究非贵金属催化剂的可行性。在RCF步骤中Ru/C催化剂用量是基于木材重量的10%,用量较多,成本较高。
3)提高产物纯度。与燃料不同,化学品的价值取决于纯度,作为聚合物工业的单体,酚和丙烯的纯度至关重要。
4)提高原料转化率。为了使生物精炼厂在生产液体燃料和化学品中发挥更大的作用,必须最大限度地提高原料转化率,这需要更稳健的催化剂与高效的工艺技术相结合。

参考文献:
1. Yuhe Liao et al. A sustainable woodbiorefinery for low–carbon footprint chemicals production. Science 2020, 367, 1385-1390.
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1385
2. Tao Zhang. Taking on all of thebiomass for conversion. Science 2020, 367, 1305-1306.
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1305

除此之外,张涛院士课题组2020年还在合成气催化转化、环保催化(NOx和CO脱除)、生物质转化、CO2还原等方面发表了一系列重要成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往张涛院士课题组网站学习。
课题组网站:http://www.taozhang.dicp.ac.cn/

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重要理念

张涛院士极其注重教育和下一代的培养,他认为,学生和科技,一个是未来的希望,一个是现实发展的需求。百年大计,教育为本,只有把孩子教育好,城市才有希望,家乡才有希望。(来源:安康中学新闻中心)

最后,我们想与大家分享几条张涛院士为师为学的感想,祝大家在在追寻真理的道路上越战越勇、不断前行!

科学发现不是随随便便就能得到的,而是要经过认真充分的准备和思考,要有设计、有计划,才能达到自己的目的。

勤奋与持之以恒并行,方能将人生梦想转化为现实。

科学家应本分做人、低调做事,永远不放松严谨、求真、务实的态度,才能让科学回归本质。

张涛院士简介
张涛,中国科学院大连化学物理研究所研究员,中国科学院副院长、党组成员。曾任中国科学院大连化学物理研究所所长,党委书记。2013年当选为中国科学院院士,2018年当选为发展中国家科学院院士,2020年当选为加拿大工程院国际院士。

国际期刊Applied Catalysis B: Environmental、ChemPhyChem、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Industry & Engineering Chemistry Research、《中国化工学报(英)》、《化学推进剂与高分子材料》、《化学推进剂与高分子材料》和《空间推进》编委或者顾问编委,《催化学报》共同主编。



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