木质素与塑料催化加氢处理制备芳香化合物的研究进展与可持续应用

针对木质素和塑料废弃物高效转化难题，研究人员系统综述了催化加氢处理技术的最新进展，重点探讨了单/双金属催化剂、超临界体系及氢转移策略在C–O/C–C键选择性断裂中的应用，实现了高达153%单体产率，为生物质高值化利用和碳中和目标提供了创新解决方案。

　　

随着化石资源日益枯竭和环境问题加剧，自然界储量第二的木质素和年产量超4亿吨的塑料废弃物成为“双碳”战略下的关键研究对象。这两种富含芳香结构的高分子材料，虽来源迥异却具有惊人的结构相似性——均通过C–C和C–O键交联形成顽固的聚合物网络。传统热化学处理方法存在能耗高、产物复杂等问题，如何实现其高效解聚并定向转化为高值化学品，成为绿色化学领域的“圣杯”级挑战。

南京林业大学研究团队在《Green Carbon》发表综述，系统梳理了催化加氢处理技术的最新突破。研究通过多尺度实验分析与理论计算相结合，重点解析了Ru/Nb₂O₅、NiFe/AC等催化体系的作用机制，发现界面电子转移可显著降低C–O键解离能。团队创新性提出“氢自给”策略，利用超临界甲醇或异丙醇作为氢源，在无外源H₂条件下实现木质素124-153%的超理论产率。

关键技术包括：1）原位表征技术追踪β-O-4键断裂路径；2）DFT计算揭示金属-载体强相互作用（SMSI）效应；3）固定床反应器连续化工艺开发；4）机器学习预测催化剂构效关系。

【木质素加氢处理制备芳香单体】
单金属催化剂中，Ni/Al-SBA-15在280°C获得85%液化产物，而Ru/NbOPO₄通过NbO_x物种的氧空位捕获中间体，实现68%芳烃选择性。双金属体系如CoTi@BC借助Ti⁴⁺的Lewis酸性，使酶解木质素单体产率达23.7%。超临界甲醇体系中Cu/CuMgAlO_x通过甲基化作用将废牛皮纸木质素转化为航电前驱体（93.3 C%收率）。

【木质素单体升级为生物燃料】
FeNi?ZrO₂催化剂通过Fe的氧亲和性促进HDO反应，使愈创木酚完全转化为环烷烃（98.5%收率）。Pt₁Fe₄单原子合金在300°C水相中展现独特抗积碳性能，苯酚选择性达58.3%。溶剂效应研究发现，Ru/Nb₂O₅在癸烷-水双相体系中可抑制副反应，环己醇选择性提升至71.4%。

【塑料废弃物催化转化】
PET解聚方面，CoMo@NC催化剂在260°C常压H₂下实现91%对苯二甲酸收率，Mo位点主导β-断裂机理。PS转化中，Fe₂N@C通过N桥联作用在280°C低压下获得81%乙苯。创新性工作发现Pt/Al₂O₃可使聚乙烯直接芳构化，长链烷基芳烃产率突破80 wt%。

该研究建立了木质素与塑料转化的统一理论框架，揭示了三重协同效应：1）金属-酸位点协同实现键选择性断裂；2）溶剂-催化剂协同调控反应路径；3）电子结构-活性位点协同优化能垒。所开发的CoMo@NC等催化剂已实现克级放大，为万吨级生物精炼装置提供了设计蓝图。特别值得关注的是，将塑料降解中的界面电荷转移机制反向应用于木质素转化，成功将反应温度降低80°C，这种学科交叉思维为废弃物资源化提供了新范式。

这项工作不仅推动了《巴黎协定》减排目标的实现，更开创了“以废治废”的新模式——利用木质素衍生酚类物质作为塑料解聚的氢供体，形成闭合循环。正如研究者指出，未来需开发自适应催化剂应对原料复杂性，并通过数字孪生技术优化反应器设计，最终构建“分子煤矿”式资源工厂。