廈門大學首次實現可見光照射下木質素的完全轉化

實現綠色碳資源的高效利用是科學家們不斷探索的課題。廈門大學教授王野課題組和程俊課題組合作，發現并利用量子點催化劑對木質素特定化學鍵的高效活化性能，首次實現了可見光照射下原生木質素在溫和條件下的完全轉化。相關成果于10月1日在線發表于《自然催化》上。

生物質是通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。木質纖維素作為可再生的綠色碳資源，由木質素、纖維素和半纖維素組成，占地球上植物類生物質的90%，是最主要的可再生碳資源。

“當前纖維素和半纖維素的轉化利用技術相對成熟，而作為可再生芳香化合物的潛在原料，木質素卻遠未實現高效利用”，論文通訊作者之一王野告訴《中國科學報》記者，木質素主要以廢棄物排放為燃料，它能否被高效轉化利用決定了生物質整體利用的經濟性和可持續性。

木質素是自然界儲量最豐富的芳香化合物之源，其化學鍵連結構中含量最高的是β-O-4鍵(占60%)，因此選擇性地切斷β-O-4鍵是獲得高值芳香化合物單體的關鍵。研究發現，可見光照射下，CdS納米粒子在室溫條件下即可高效催化木質素模型分子中β-O-4的斷鍵，其效率高于傳統的高溫熱催化體系。

然而，當以真實生物質（樺木）為原料時，CdS納米粒子基本無法催化轉化其中的原生木質素。王野指出，造成這種性能差異的主要原因，是原生木質素在溫和條件下幾乎不溶于任何溶劑，使得反應物（原生木質素）和多相催化劑無法實現分子水平上的有效接觸，這也是現階段溫和條件下原生木質素轉化的主要瓶頸。

為了解決這一難題，研究人員發現并充分利用了CdS納米粒子量子點的膠體特性，通過調節量子點的表面活性劑和所使用的溶劑，使量子點高分散或近似溶于溶劑中。結果顯示，在可見光照射下，得到了84%的理論芳香化合物單體產率。進一步通過弱酸催化水解半纖維素，獲得84%的木糖產率；通過酶解纖維素，獲得91%的葡萄糖產率，最終實現了木質纖維素的全利用。

與傳統催化轉化方法需要高溫高壓條件、消耗氫氣，產物價值和收率低相比，太陽能催化轉化只需在溫和條件下進行，產物的官能團可有效保留，提高生物質基化學品的附加值，也可使得木質素轉化過程更加綠色環保。

近年來，陸續有纖維素乙醇示范工廠建成和開工試產，說明了纖維素乙醇生產技術具有良好前景。該方法可以與現有的纖維素乙醇過程相結合，將木質纖維素中三種主要組分全部利用起來的組合生物煉制新技術。“然而要走向工業化，還需要發展更穩定的光催化劑，工業化道路依然任重道遠。”王野說。