可持续碳催化剂实现热解糖近100%选择性水解及高效生物乙醇生产

本研究针对生物质热解油升级过程中均相催化剂回收难、水解产物抑制发酵等问题，开发了系列磺化碳催化剂(SCCs)，实现了左旋葡聚糖(LG)95%转化率和90%葡萄糖选择性，发酵乙醇产率达99%，为生物燃料净零生产提供了绿色催化方案。

　　

随着全球对碳中和目标的推进，利用木质纤维素生物质生产可再生燃料成为研究热点。传统生物质糖化工艺面临严峻挑战：酶水解需要昂贵的纤维素酶且耗时数天，而酸水解会产生抑制发酵的副产物。更棘手的是，现有工艺中5-羟甲基糠醛(HMF)等副产物会毒害酵母细胞，导致后续发酵效率骤降。在此背景下，快速热解技术因能在数秒内将生物质转化为含80%左旋葡聚糖(LG)的热解油而备受关注，但微生物直接利用LG发酵的菌种有限，必须通过水解将LG转化为葡萄糖(GLC)。

广东省科学院生物与医学工程研究所（原GDAS）的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地开发了系列磺化碳催化剂(SCCs)。这些催化剂通过65-98wt%硫酸在160℃水热条件下处理葡萄糖制备，形成粒径24.2-32.1nm的碳纳米球。研究发现，SCCs不仅能实现LG的C₁-O键选择性断裂，在135℃反应90分钟条件下获得98.8%转化率和96%GLC产率，更突破性地解决了传统硫酸水解产生的盐分抑制问题，使后续乙醇发酵效率提升至与纯葡萄糖相当的99%产率。

研究采用时间飞行质谱(TOF-MS)和密度泛函理论(DFT)计算阐明机制：SCCs的磺酸基团激活水衍生质子，通过协同作用切断LG的C-O键完成水解。催化剂表征显示，较高硫酸浓度制备的SCCs具有更小的碳纳米球尺寸(24.2nm)和更高的-SO₃H密度(1.82mmol/g)，这是其优异性能的结构基础。值得注意的是，相比均相硫酸催化必须中和的缺陷，SCCs在五次循环后仍保持95%活性，且水解液无需处理即可直接发酵。

在机制研究部分，通过同位素标记和理论计算证实水解经历两步：首先C₁-O键断裂形成碳正离子中间体，随后水分子亲核攻击完成开环。这种机制避免了副反应路径，使HMF等副产物控制在5%以下。发酵实验显示，SCCs水解液乙醇产率(99%)显著优于硫酸水解液(82%)，证实了该工艺的工业可行性。

该研究首次构建了"热解-固体酸催化-发酵"的完整技术链条，其意义在于：1) 开发的SCCs催化剂兼具Br?nsted酸性和纳米限域效应；2) 阐明了固体酸催化LG水解的原子尺度机制；3) 实现了生物质到乙醇的高效转化，为净零生物燃料生产提供了新范式。陕西中医药大学联合团队指出，该技术可推广至其他生物基化学品生产，有望重塑生物精炼领域的技术格局。