天津科技大学轻工学院在木质素基单原子催化剂领域取得重要进展

近日，我校司传领教授团队在基于非碳化的木质素基单原子催化剂制备及应用方面取得重要进展，研究成果以“Non-Carbonized Pd Single-Atom Catalyst Supported on Lignin-Functionalized Phenolic Resin for Potent Catalytic Transfer Hydrogenation of Lignin-Derived Aldehydes”为题，发表在化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上并被遴选为Frontispiece文章（图1）。轻工学院博士后庞泰然、硕士研究生薛政隆为该论文共同第一作者，司传领、王冠华教授为论文的共同通讯作者，天津科技大学为唯一作者单位。

图1. 文章被遴选为《Angewandte Chemie International Edition》Frontispiece文章

随着化石燃料的过度使用，能源与环境问题日益严峻。木质纤维素作为一种碳中性、不可食用且可再生的原料，在替代化石燃料和化学品生产方面潜力巨大。催化转移加氢（CTH）是实现木质纤维素衍生化学品绿色高效转化的重要路径，而高性能催化剂是这些反应高效稳定进行的关键。单原子催化剂（SACs）因高金属利用率和可精准调控的配位环境而备受关注，其性能很大程度上取决于载体性质。以传统有机聚合物为载体制备SACs时通常需高温碳化，导致其功能基团流失，削弱了金属-载体相互作用，进而影响所得SACs的催化性能。为解决上述问题，该工作开发了一种可持续策略，不需要碳化就能合成以氮功能化木质素基酚醛树脂（N-LPR）为载体的Pd SACs，用于木质素衍生醛的CTH。

图2. 木质素调控酚醛树脂形貌及其作为Pd单原子催化剂载体

首先，该研究以氨水作为氮源和催化剂，借助乙醇/水分级法降低木质素异质性，同时调整木质素添加比例进一步优化N-LPR形态，采用简单的Stöber法将高分子量木质素组分（L3）转化为具有独特纳米链状结构、高比表面积和丰富胺基位点的N-L3PR-50%载体（图2），该载体在室温下就能直接实现Pd单原子催化剂的负载。

图3. 所得木质素基Pd单原子催化剂催化木质素衍生醛性能

随后，以水为溶剂、甲酸为氢源，该研究对比了Pd@N-PR和Pd@N-L3PR-50%催化香兰素还原制备2-甲氧基-4-甲基苯酚的反应，发现后者具有显著提升的催化活性和选择性。进一步优化反应条件，确定在80°C、5h的温和条件下催化剂对高浓度底物也有良好催化效果，且循环使用5次后性能稳定。此外，该催化剂对多种木质素衍生醛都有较好的催化活性（图3）。

图4. CTH过程分析及DFT计算结果

通过DFT计算，研究发现Pd@N-L3PR-50%对甲酸的吸附能力更强，更易将甲酸转化为自由氢，且对香兰素中醛基的吸附选择性高，反应能垒更低（图4），以上结果均归因于非碳化方法所保留的催化剂表面丰富的胺基和独特的Pd-N配位环境。

在该工作中，司传领教授团队开发的方法结合了木质素分级和氨的双重作用，修饰酚醛树脂结构，制备出性能优异的Pd@N-L3PR-50%催化剂。该工作实现了以聚合物材料为载体的SACs非碳化合成，为设计高效SACs提供了新平台，推动了木质素及其衍生物的高价值转化和可持续利用，在生物质催化转化领域具有广阔的应用前景。

近年来，轻工学院司传领教授团队在造纸纤维原料及林木生物质材料高值利用领域持续开展研究，成果先后在Angewandte Chemie International Edition、Chemical Society Review、Energy & Environmental Science及Advanced Materials等权威期刊发表。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202503195

编辑：田珺