磺化碳电催化葡萄糖升级转化：可持续制造的多产物路径探索

《ChemCatChem》：Electrocatalytic Glucose Upgrading by Sulfonated Carbon for Sustainable Manufacturing

这篇综述创新性地探索了磺化碳（sC）作为电催化剂在葡萄糖转化中的潜力，成功实现了葡萄糖向9种高值化学品（包括甲酸、乙酸、5-羟甲基糠醛/HMF等）的定向转化，总产率达37.2%。研究通过系统优化电位（+1.5 V vs. Ag/AgCl）和反应时间（2 h），揭示了磺化碳在电催化氧化中的独特活性，为生物质替代石油的绿色制造提供了新策略。

　　

引言

石油作为全球制造业支柱面临可持续性挑战，而葡萄糖因其低成本、高丰度和多产物转化潜力成为生物质经济的核心研究对象。传统硫酸催化存在高能耗和分离难题，磺化碳（sC）作为固体酸催化剂通过固载硫酸根基团展现出独特优势。本研究首次将sC应用于葡萄糖电催化氧化，突破了传统热催化路径的限制。

实验方法

催化剂通过碳毡在250°C浓硫酸中磺化24小时制备，XPS证实表面硫含量达1.29%（S 2p峰168.5 eV）。电化学反应在双室电解池中进行，阳极液为10 g·L^-1葡萄糖/0.5 M K₂CO₃，采用FAA-3-PK-75阴离子交换膜分隔。通过HPLC-UV（210 nm）定量9种产物，包括甲酸（最高产率16.3%）、乙酸（5.8%）和HMF（4.6%）。

结果与讨论

催化剂表征：BET显示磺化使碳毡比表面积从0.6增至7.8 m²·g^-1，但金属掺杂（Ag/Co）会堵塞孔隙。XPS证实氧化后硫保留但含量降低，O 1s谱中533 eV峰证实S=O键持续存在。

产物分布：电位是关键调控因素——+1.5 V时总产率峰值达37.2%，而+2.0 V导致过度氧化为CO₂。磺化碳显著提升甲酸生成速率（232 mg·L^-1·h^-1），但对乙酸有抑制作用。未鉴定的产物占比超60%，暗示更复杂反应网络。

机制分析：线性回归表明电位每增加1V可使甲酸产率提升21±5%，而磺化使HMF产率降低15±3%。电流分析揭示sC抑制副反应（如水分解），其独特质子传输特性（S=O键）可能促进C-C键断裂形成小分子酸。

结论与展望

该工作建立了磺化碳电催化葡萄糖多路径转化的新范式，产物多样性（9种）远超文献报道的金属催化剂（≤5种）。未来研究将聚焦纤维素电催化解聚，尽管其难溶性带来挑战，但甲基纤维素等衍生物可能成为突破口。这一技术有望推动生物质资源在绿色化工中的规模化应用。

（注：全文数据均源自原文实验数据，未添加外部引用；专业术语如HMF、XPS等均按原文格式标注；反应条件如+1.5 V vs. Ag/AgCl等严格遵循原文表述）