东南大学团队开发双功能催化剂，可用于生产航空飞行器碳氢燃料

在木质纤维生物质中，糖类可以转化为乙醇，而化学品和燃料则由木质素制备。

木质素是一种芳香的高分子聚合物，是由苯环之间通过碳氧和碳碳键无序连接而成，从而使其结构变得非常稳定。

通过催化途径很容易破坏碳氧键，但是碳碳键很难有序断裂，从而限制了高价值单体的产量。

基于此，东南大学骆治成教授团队开发了一种双功能催化剂，可以在温和条件下选择性地断裂碳碳键，最高单体收率是此前报道的 11 倍。

图 | 骆治成（来源：骆治成）

预计这一成果可用于大规模地生产航空飞行器、导弹、火箭等重质碳氢燃料，也可以用于汽车、卡车等轻质碳氢燃料。

骆治成表示：“这个课题的确定还得感谢我在荷兰时的导师所创立的木质素高值化利用公司 Vertoro。”

这家公司主要生产木质素重质油，但是这些油品的含氧量高，而且高聚物含量偏高，根本原因是木质素高聚物没有办法实现高效的解聚。

通过研究发现这些高聚物主要是由惰性的碳碳键连接而成，由此凝练出这样一个科学问题：解决碳碳键的选择性断裂。

研究中，他和合作者遭遇了很多挑战。首要挑战是木质素碳碳键种类很多，仅有的几篇文献只报道特定碳碳键的断裂，并且反应机制不清晰。

通过分析木质素碳碳键组成，骆治成发现 5-5 键含量最丰富且键能最高，于是选择 5-5 键模型化合物为底物开展研究。

当做完模型化合物体系后，接下来的问题是：此方法是否也适用于真实的木质素？通过与各种木质素生产厂家合作，骆治成挑选当前各种有代表性的工业木质素来做实验，发现结果非常好，体系也很成功。

最后的挑战是反应体系过于复杂，机理很难弄清晰，为此他和同事借助理论计算和各种先进表征技术，弄明白了其中的机理，为后人提供了理论支撑。

而最让骆治成难忘的事情是实验过程中反应重复不出来。有一段时间反应一直重复不出来，几乎重复了之前做的所有实验，结果都是不反应。

他说：“那段时间压力非常大，感觉自己所作的努力白费了。”后来在偶然的一次“瞎”用氮气过程中，完美重复了之前的实验结果。

通过这一次实验他和同事找出了问题所在，原来氢气和氮气管路连接反了，之前一直使用的氢气被换成了氮气导致没有发生反应。后来才发现是有同学把两个气瓶之间的阀门切换了。

“这个过程持续了将近一个月，令我印象深刻，也告诉自己以后做实验一定不要放弃任何一个细节。”骆治成表示。

最终，相关论文以《木质素精炼厂的碳-碳键断裂》（Carbon–carbon bond cleavage for a lignin refinery）为题发在 Nature Chemical Engineering[1]，并被选为当期封面论文。

（来源：Nature Chemical Engineering）

骆治成是第一作者兼共同通讯，东南大学肖睿教授和荷兰埃因霍芬理工大学艾镁尔 J. M.海森（Emiel J. M. Hensen）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Chemical Engineering）

未来，他们计划评估催化剂在连续过程中的稳定性，期待实现工业化的大规模生产。同时，也将评估重质燃料的燃烧性能，进而打通整个工业链条。

参考资料：

1.Luo, Z., Liu, C., Radu, A.et al. Carbon–carbon bond cleavage for a lignin refinery. Nat Chem Eng 1, 61–72 (2024). https://doi.org/10.1038/s44286-023-00006-0

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