超声辅助构建磺酸基修饰的SBA-15介孔硅负载磷酸铁双功能催化剂实现纤维素和小麦秸秆高效催化转化5-羟甲基糠醛

针对纤维素直接催化转化5-羟甲基糠醛(HMF)效率低下的难题，中国研究人员创新性地通过超声辅助植入法将FePO4嵌入SBA-15介孔硅基质，并嫁接磺酸基(-SO3H)构建FeP@SBA-15-S双功能催化剂。该催化剂在无预处理条件下实现纤维素52%的HMF产率，并首次实现小麦秸秆中纤维素/半纤维素同步催化，获得61% HMF和60%糠醛的突破性收率，为生物质资源高值化利用提供了新策略。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何将可再生生物质转化为高附加值化学品成为科学界与工业界共同关注的焦点。纤维素作为自然界最丰富的生物质资源，其催化转化为平台分子5-羟甲基糠醛(HMF)被视为连接生物质与化石能源的关键桥梁。然而，纤维素致密的结晶结构和稳定的化学性质使其直接转化面临巨大挑战——现有催化体系往往需要苛刻的预处理条件，且HMF产率与选择性难以兼顾。更棘手的是，天然木质纤维素中纤维素与半纤维素组分的同步高效转化仍缺乏有效解决方案。

针对这些关键科学问题，合肥的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表创新成果，通过超声辅助将磷酸铁(FePO₄)嵌入SBA-15介孔硅骨架，并利用表面硅醇巢嫁接磺酸基团，成功构建了具有双功能酸性的FeP@SBA-15-S催化剂。研究人员采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附、氨程序升温脱附(NH₃-TPD)、吡啶吸附红外光谱(Py-IR)等技术系统表征催化剂结构，通过水相-四氢呋喃(THF)双相体系评估催化性能，并运用气相色谱-质谱联用(GC-MS)和¹³C核磁共振(NMR)解析反应机理。

研究结果部分：在"催化剂表征"中，透射电镜(TEM)显示FePO₄纳米颗粒均匀分散于保持二维六方结构的SBA-15骨架中，X射线光电子能谱(XPS)证实Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对和-SO₃H的成功引入。酸性测试揭示催化剂具有81.9 μmol/g的布朗斯特酸量和240.9 μmol/g的路易斯酸量，水接触角(WCA)16.17°表明其优异亲水性。

"纤维素催化性能评价"显示，在210℃反应3小时条件下，FeP@SBA-15-S实现52%的HMF产率，显著优于单纯FePO₄(14%)和未修饰的FeP@SBA-15(19%)。更引人注目的是，"小麦秸秆催化性能评价"证实该催化剂可同步转化原料中38.5 wt%纤维素和24.0 wt%半纤维素，分别获得61% HMF和60%糠醛的创纪录产率，且无需任何预处理。

"催化剂循环能力评价"通过6次重复实验表明，活性下降主要源于-SO₃H基团流失(57%)和孔隙堵塞(BET比表面积从375.8降至204.2 m²/g)。"反应中间体与催化转化途径"部分通过GC-MS检测到C₃-C₂₃片段和寡聚体等副产物，¹³C NMR捕获到葡萄糖开环、1,2-烯二醇异构化、果糖闭环等关键中间体，完整揭示了纤维素→葡萄糖→果糖→HMF的催化路径。

这项研究通过创新的"超声植入-酸基嫁接"双功能设计策略，突破了金属磷酸盐比表面积低、酸性位点可及性差的技术瓶颈。所开发的FeP@SBA-15-S催化剂首次实现了未处理小麦秸秆中两种多糖组分的同步高效转化，HMF产率较文献报道的预处理纤维素体系提高10-39个百分点。从应用角度看，该技术省略了能耗高的原料预处理步骤，采用环境友好的水-THF双相体系，为生物质炼制提供了更经济、更绿色的工艺路线。从科学价值看，研究建立的"孔隙构建-酸性调控-亲水改性"催化剂设计原则，以及通过先进表征技术解析的纤维素多步转化机制，为后续生物质催化体系的开发提供了重要理论指导。未来通过优化活性组分稳定性和开发原位再生技术，有望推动该催化剂在生物精炼领域的工业化应用。