温和条件下非传统氢源催化生物质衍生乙酰丙酸高效合成γ-戊内酯的研究

本研究针对生物质资源高值化利用需求，开发了Ru/Ni双金属分子筛催化剂体系，创新性地采用Zn-H2O体系和光电化学(PEC)水分解两种非传统氢源，在30°C低温条件下实现乙酰丙酸(LA)高效转化为γ-戊内酯(GVL)，其中PEC氢源体系转化率超95%，为绿色氢能应用和生物质精炼提供了新策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，生物质资源的高效转化成为替代化石能源的关键路径。乙酰丙酸(LA)作为纤维素水解的重要平台化合物，其催化转化为γ-戊内酯(GVL)的过程因GVL在燃料添加剂和精细化工领域的广泛应用而备受关注。然而传统高压氢气体系存在安全隐患和能耗问题，如何开发温和条件下的可持续氢源成为制约生物质精炼技术发展的瓶颈。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Catalysis Today》发表创新成果，设计开发了Ru/Ni双金属分子筛催化剂系统，并首次将光电化学水分解(PEC)产氢技术与催化加氢过程耦合。研究通过对比传统高压氢气、Zn-H₂O化学产氢和PEC产氢三种氢源体系，发现PEC系统在30°C超低温条件下即可实现95%以上的GVL产率，且催化剂稳定性优异。该工作为生物质转化提供了安全高效的绿色氢能解决方案。

关键技术方法包括：采用等体积浸渍法合成Ru/Al-HY、Ni/Al-HY单金属及RuNi/Al-HY双金属催化剂；通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)表征催化剂结构；构建Zn-H₂O化学产氢和TiO₂纳米结构PEC产氢两套非传统氢源系统；采用气相色谱定量分析GVL产率。

Synthesis and characterization of catalysts
通过湿法浸渍制备的催化剂显示，双金属RuNi/Al-HY在H₂还原后形成高度分散的金属纳米颗粒，XPS证实Ru⁰和Ni⁰的协同作用增强催化活性。

Characterization results of the catalysts for the hydrogenation of LA
XRD分析表明载体分子筛结构保持完整，金属组分呈非晶态分布。TEM显示RuNi双金属颗粒尺寸约3-5nm，且还原后未出现明显烧结。

Conclusions
研究发现：1) Zn-H₂O体系因氢气生成速率受限，GVL产率不足25%；2) 传统高压氢气在Ru/Al-HY催化剂上反应速率最快；3) 创新的PEC系统通过优化气液传质，在Ru/Al-HY上实现95%GVL产率且诱导期缩短；4) 所有体系催化剂均保持良好稳定性。

该研究的重要意义在于：首次将PEC水分解技术与生物质催化转化直接耦合，突破传统氢源的温度压力限制；阐明Ru-Ni双金属在Zn-H₂O体系的特殊活性位点作用；开发的模块化反应系统为可再生能源驱动的高附加值生物质转化提供了可扩展的工艺范式。这项工作为碳中和目标下的绿色化学制造开辟了新路径。