针状结构Ru-RuO2/ZrP杂化材料：C-O键精准断裂与生物质酯类升级的多功能平台

研究人员针对生物质转化中C-O键精准断裂与氢化深度控制的难题，设计了一种锚定于无定形磷酸锆上的针状Ru/RuO2异质结构（Ru-RuO2/ZrP）。该催化剂通过原位生成高分散Ru位点和氧空位，协同ZrP的酸碱对（P-O-H/Zr4+-O2?），实现了木质素模型化合物近定量转化（如二苯醚99.9%产率）及乙酰丙酸乙酯至γ-戊内酯的高效升级（98.1%产率），活性较传统Ru/ZrO2提升6倍，为生物精炼提供了结构自适应催化剂设计范式。

　　

在化石能源日益枯竭的背景下，木质素作为地球上最丰富的可再生芳香资源，其高效转化被视为破解资源困局的关键钥匙。然而，这种由复杂C-C和C-O键网络构成的生物大分子，却因其结构异质性和不稳定性，成为科学家们面临的“绿色迷宫”。如何像精准拆解乐高积木一般，选择性断裂木质素中的C-O键，同时控制氢化深度避免过度还原，一直是生物质转化领域的“圣杯”难题。

山东科技大学储能技术学院的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表的研究中，提出了一种巧妙的解决方案——他们通过自生长策略构建了锚定在无定形磷酸锆（ZrP）上的针状Ru/RuO₂异质结构（Ru-RuO₂/ZrP）。这个看似简单的设计背后，隐藏着三重精妙：针状RuO₂在H₂氛围中自发形成的氧空位和高分散Ru位点、ZrP载体上可调控的酸碱对（P-O-H/Zr⁴⁺-O^2?），以及两者协同产生的“1+1>2”效应。

研究人员采用水热法合成ZrP前驱体，通过溶胶-凝胶工艺结合热处理构建催化剂体系，并运用XPS（X射线光电子能谱）、EPR（电子顺磁共振）、NH₃-TPD（程序升温脱附）和Py-IR（吡啶红外光谱）等技术系统表征材料特性。在木质素模型化合物转化中，该催化剂对苯基苄基醚和苯醚的转化率分别达到98.4%和99.9%，产物选择性显著优于传统Ru/ZrO₂催化剂。更令人惊喜的是，同样的催化剂在乙酰丙酸乙酯转化为γ-戊内酯（GVL）的反应中表现出色，产率高达98.1%，展现出“一材多用”的独特优势。

INTRODUCTION
研究指出，木质素转化面临两大核心挑战：C-O键断裂的选择性控制，以及避免芳香环过度氢化导致的产物价值降低。现有催化剂往往难以兼顾活性与选择性，而本研究通过构建金属-载体电子相互作用和梯度氧空位，为这一矛盾提供了创新解法。

RESULTS AND DISCUSSION
表征数据揭示，针状形貌能稳定Ru⁴⁺/Ru⁰双活性位点，其产生的氧空位梯度显著降低反应活化能。控制实验证实，Ru-RuO₂界面促进H₂解离为氢自由基，而ZrP的路易斯酸位点（Lewis acid sites）定向引导酯-内酯环化，这种结构协同效应是性能突破的关键。在真实木质素转化中，催化剂获得68.8%木质素油和23.9%单酚类产物，显示出工业化应用潜力。

CONCLUSIONS
该工作不仅开发了兼具高活性和选择性的多功能催化剂，更通过阐明结构-性能关系，为生物精炼过程提供了普适性设计原则。其创新点在于：①针状结构稳定亚稳态活性位点；②金属-氧化物界面与载体酸碱位的协同调控；③同一催化剂适配多类反应。这种“结构自适应”设计理念，有望推动生物质转化从实验室走向产业化。