生物质是一种重要的可再生碳资源，直接或间接来源于植物光合作用所吸收固定的二氧化碳和水。随着化石资源的日益枯竭和环境问题的日趋严峻，生物质资源因具有可再生性和碳中性等特点，其开发利用备受关注。由于生物质中存在大量以C-O单键或C=O双键形式存在键合氧（约占总质量的30～50%），难以直接用于化学化工行业。通过催化转化过程将生物质中的C-O键定向转化，可获得二元醇、氨基醇和羟基酯等一系列高值含氧化学品，而开发具有高选择性和高稳定性的催化反应体系是关键。

中国科学院兰州化学物理研究所低碳催化与二氧化碳利用重点实验室可再生碳资源催化转化组长期致力于生物质资源的高值化转化利用，发展了一系列生物基高值化学品的催化合成技术 (Green Chemical Engineering, 2024, 5(1),119-131；Green Synthesis and Catalysis, 2024, 5(1),42-50；ACS Catalysis, 2023, 13,5170-5193; Chem, 2022, 8,1034-1049; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022, 10(17),5526-5537)。

近期，该课题组以半纤维素衍生下游产品四氢糠醇为原料，通过构建具有氧化物/金属-反相结构的稀土基非贵金属Ni催化剂(4CeOx/Ni),利用氧化物-金属界面的电子结构调控，实现特定C-O键的高选择性氢解断裂，高收率获得了用途广泛的1,5-戊二醇。该催化剂体系还可将系列木质纤维素基平台化合物及废塑料选择性转化为高附加值含氧化学品。

图1. CeOx/Ni反相催化剂实现多种生物基化合物及废弃塑料的高值化利用

研究表明，4CeOx/Ni反相催化剂中稀土氧化物与金属镍之间强电子相互作用诱导了界面富电子Ni-VO-Ce催化位点的生成，从而增强其对特定醚C-O键的选择性吸附，同时促进界面活性Hδ-物种的形成；两者协同作用，实现了C-O键氢解速率的显著提高。该研究加深了对金属-氧化物界面电子强相互作用的认识，为生物质和废弃塑料高值转化催化剂的设计提供了新思路。

图2.CeOx/Ni催化剂电子结构研究

图3. CeOx/Ni催化剂选择性吸附活化C-O键的研究

 

图4. CeOx/Ni催化剂促进Hδ-物种的形成及稳定

相关研究成果以“Inverse ceria-nickel catalyst for enhanced C–O bond hydrogenolysis of biomass and polyether”为题发表在Nature Communications(2024,15,8444，https://doi.org/10.1038/s41467-024-52704-9)。兰州化物所赵泽伦助理研究员、高广高级工程师和席永杰研究员为该论文的共同第一作者，兰州化物所黄志威研究员和中国科学院大学李福伟教授为共同通讯作者，兰州化物所为第一通讯作者单位。

以上工作得到了国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、中国科学院“西部之光”西部青年学者项目和低碳催化与二氧化碳利用重点实验室等的支持。