木质素-MOF自组装碳基催化剂在木质素衍生酚类选择性加氢脱氧中的应用研究

研究人员针对木质素衍生生物油催化升级中加氢脱氧(HDO)过程需高压氢气的问题，通过水热法构建木质素-MOF自组装碳基催化剂(nCo-TPA/C-T)，在160°C、0.5 MPa N2无外源氢条件下实现香草醛(VAN)100%转化率及94.5%2-甲氧基-4-甲基苯酚(MMP)选择性，为生物质高值化利用提供新策略。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料枯竭，生物质作为可再生资源备受关注。木质素作为自然界最丰富的酚类聚合物，其衍生生物油因含氧量高导致热值低、腐蚀性强，亟需高效催化升级。传统加氢脱氧(Hydrodeoxygenation, HDO)技术依赖贵金属催化剂和高压氢气，存在成本高、安全隐患大等瓶颈。如何开发非贵金属、温和条件下的高效催化剂，成为生物质转化领域的关键科学问题。

扬州工业职业技术学院化学工程学院的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表研究，创新性地将木质素与金属有机框架(Metal-Organic Framework, MOF)结合，通过一步水热法构建了系列碳基钴催化剂(nCo-TPA/C-T)。该工作以对苯二甲酸(TPA)为配体，系统探究了有机配体类型、金属-配体比例、煅烧温度等参数对催化剂性能的影响。

关键技术包括：1) 水热自组装法制备木质素-MOF前驱体；2) N₂氛围下程序升温碳化获得催化剂；3) 采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等多维度表征手段；4) 以异丙醇为氢供体溶剂，在间歇式反应器中评估香草醛(VAN)等酚类化合物的HDO性能。

【催化剂表征】
XRD分析显示2Co-TPA/C-500催化剂中Co物种以金属Co和CoO_x共存，TEM证实其具有5-10 nm的均匀Co纳米颗粒。比表面积测试(BET)揭示该催化剂具有312 m²/g的高比表面积，XPS证明表面存在丰富的Co²⁺/Co⁰活性位点。

【催化性能】
在160°C、0.5 MPa N₂、1小时温和条件下，2Co-TPA/C-500实现VAN完全转化，MMP选择性达94.5%，性能优于已报道的CoS-MoS₂和Ni-MoO_3-x等催化剂。对照实验表明，TPA配体比NH₂-BDC或OH-BDC更利于活性位点暴露，金属/配体比为2:1时形成最优电子结构，500°C煅烧温度可平衡碳载体结晶度与金属分散性。

【底物拓展】
该催化剂对愈创木酚(GUA)、苯酚、2,6-二甲氧基苯酚等木质素衍生酚类均表现出良好普适性，转化率均超过90%，证实其活性位点对C-O键断裂具有广谱选择性。

研究结论指出，木质素与MOF的协同自组装构建了高分散金属-碳界面，Co⁰-Co²⁺双活性中心通过异丙醇脱氢-加氢循环实现高效氢转移，TPA配体的刚性结构有效防止金属烧结。该工作不仅为木质素高值化利用提供了新型非贵金属催化剂设计范式，更开创了生物质衍生碳材料与MOF杂化催化体系的新研究方向，对推动绿色化学工业和可持续能源发展具有重要意义。