天津科技大学在木质素基金属催化剂载体材料应用领域取得重要进展

近日，我校司传领教授团队在化学领域国际顶级期刊《Coordination Chemistry Reviews》，发表题为“Lignin-based support for metal catalysts: Synthetic strategies, performance boost, and application advances”的论文。轻工科学与工程学院博士后庞泰然为第一作者，司传领教授、王冠华教授为论文的共同通讯作者，天津科技大学为唯一单位。

自工业革命以来，对化石能源的依赖引发了环境污染和能源危机，促使人们开始寻求可再生资源。木质素作为一种含量丰富的可再生芳香族聚合物，尽管储量可观，但其在当前生物质综合利用体系里的开发程度较低，大量潜在价值尚未得到有效挖掘与利用。在催化领域，金属催化剂性能提升备受关注，催化剂载体对其性能影响重大，且金属-载体相互作用在多相催化中的作用日益凸显。木质素具有独特的化学结构，其复杂的三维网络由多种结构单元组成，富含官能团，如羟基、甲氧基和羧基等，这使得它能够与金属离子发生多种相互作用，包括配位、氢键和π-π相互作用等。这些相互作用不仅有助于金属的锚定，还有望调节金属的电子状态，从而提高催化剂的活性和稳定性。通过精心设计的合成策略，木质素可以转化为多种形式的催化剂载体，满足不同催化反应的需求。

图1. 木质素作为金属催化剂载体的主要形式

该工作系统梳理了木质素作为金属催化剂载体的多种形式与制备策略（图1）。从利用未改性木质素的固有结构与官能团特性，到通过化学修饰如磺化、接枝等手段增强其与金属的适配性；从将木质素与其他聚合物复合形成具有更高稳定性和比表面积的材料，再到经高温碳化及元素掺杂制备木质素基碳材料，展示了木质素在催化剂载体领域的多样性与可塑性。此外，该工作还汇总了木质素基金属催化剂在实际应用中的情况（图2），从废水处理中有效防止金属团聚、提升催化剂使用效率，到生物质催化时显著提高平台化合物转化和木质素解聚的转化率与选择性，再到能源转换应用里在多种制氢、费托合成及燃料电池反应等方面发挥积极作用等，展现出重要的应用潜力，为相关产业发展提供有力支撑。

图2. 当前木质素基金属催化剂载体的应用情况

最后，该工作指出当前木质素基材料作为催化剂载体在大规模应用前仍需攻克诸多难题。木质素自身的高度异质性致使其加工处理复杂，稳定结构的获取困难；提取与加工环节的环境影响不容忽视；木质素与金属之间的关键作用机制尚未完全明晰；碳材料的表面功能化和孔结构精准调控仍有待突破等。尽管如此，随着研究的持续深入与技术的不断进步，木质素在金属催化剂载体领域有望迎来更大的发展机遇，为可持续催化和绿色化学发展注入新活力。

近年来，轻工科学与工程学院司传领教授团队在造纸纤维原料及生物质功能材料高值利用领域持续开展研究，成果先后在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Coordination Chemistry Reviews、Energy Storage Materials、SusMat及Carbon Energy等权威期刊发表。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216426

编辑：田珺