高效 Pt1Ni 单原子合金催化剂用于无氢木质纤维素的催化分馏

将植物废料变成有用原料

木质纤维素生物质，例如木材和作物残余，常被视为低价值废物或直接焚烧取暖。然而，它含有可被转化为塑料、药物和特种化学品原料的复杂天然聚合物。本研究描述了一种在水中“拆解”木质生物质的温和方法，使用一种高效的金属催化剂，无需外加氢气，同时保持有价值的纤维素纤维完好。

木材不仅仅是燃料

木材由三部分构成：纤维素、半纤维素和木质素。纤维素形成可用于造纸、纺织或先进材料的强韧纤维，而木质素是一种缠结的芳香聚合物，长期被视为麻烦的副产物。现代生物精炼理念旨在综合利用这三种成分，而不是丢弃木质素。化学家尤其希望将木质素裂解为称为单酚的小型芳香分子，这些分子可作为更高价值产品的构建模块。在不破坏纤维素且不依赖化石来源氢气的情况下高效实现这一点，是可持续化学的一项关键挑战。

用于清洁转化的智能金属设计

作者在一种称为“自供氢催化分馏”的先前方法基础上展开工作，在该方法中氢主要由半纤维素直接从生物质中产生。他们设计了一种新型催化剂，其中孤立的铂原子位于镍表面并被稳固的氧化物载体支撑，形成所谓的单原子合金。精细的成像和光谱表明，在极低的铂负载下，单个铂原子分散在镍原子之间而不是聚集成更大的颗粒。这种原子级排列改变了催化剂与含氧基团的结合方式，并有助于稳定在潮湿高温反应条件下本来活性较低的金属镍。

在水中温和拆解木质素

以白桦锯末为测试材料，Pt1Ni 催化剂在温和条件下（140 °C、水相、氮气常压）将木质素部分转化为高产率的酚类单体。该过程实现了约 51 wt% 的木质素转化为单酚，接近理论极限，同时大约 90% 的纤维素以高结晶度的固体浆料保存下来。值得注意的是，大约一半的芳香产物带有丙烯基侧链，该侧链含有可用于后续化学改造的活性碳–碳双键。与纯镍或较高铂负载体系相比，该催化剂在每个铂原子上产物产量更高，且在多次反应循环以及松树和小麦秸秆等不同生物质上显示出良好的稳定性。

催化剂如何引导反应路径

为理解该催化剂为何偏向产生有价值的未饱和侧链，研究团队研究了简化的类木质素分子，并在催化剂与来自半纤维素的氢源存在下追踪其转化。实验揭示了三条并行反应路径，区别在于木质素片段上特定醇基团被移除的方式。先进的量子化学计算表明，在混合的 Pt–Ni 表面，镍位点对氧具有较强的亲和力，这会削弱某些碳–氧键并降低断裂这些键所需的能垒。因此，先去除羟基然后形成碳–碳双键的路径比单纯氧化醇的路径更有利。结果是，混合表面倾向于产生会直接通向带丙烯基端基产物的中间体。

这对未来生物精炼厂的意义

简而言之，研究人员创造了一种经过精细调控的金属表面，能够在热水中解锁木材的芳香部分，利用来自生物质自身的氢，同时保持有用的纤维素骨架完整。通过在镍中安置单个铂原子，他们既减少了贵金属的用量，又将化学反应导向形成未饱和的酚类分子，这类分子作为生物活性化合物、材料以及替代化石来源化学品的起点尤其多用途。这一策略展示了原子级催化剂设计如何在相对温和、无外加氢的条件下，将植物废料转化为更丰富的可再生产品谱系。

引用: Zhou, H., Xiang, Q., Guo, Z. et al. Efficient Pt₁Ni single-atom alloy catalyst for hydrogen-free catalytic fractionation of lignocellulose. Nat Commun 17, 4316 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70993-0

关键词: 木质纤维素, 木质素解聚, 单原子合金, 生物精炼厂, 酚类单体