1. 引言
生物质为燃料、化学品和功能材料的生产提供可再生碳源。然而，其化学多样性也带来了一个严峻的催化问题：碳水化合物、木质素、脂质及其衍生物在结构、氧含量、反应性和易降解性方面各不相同。因此，转化路线的选择必须同时考虑目标产物和可用原料的特性。“催化”可以将这些资源与不同的产品家族联系起来[1,2,3,4]。
本期特刊“生物质及其衍生物的催化转化”汇集了八篇稿件，包括四篇研究论文和四篇综述。该合集涵盖木质纤维素分级分离、平台分子的选择性转化、萜烯重排、微藻油提质以及生物质衍生电催化剂的制备。这些主题涵盖生物质利用的几个阶段，从获得可及的原料组分到控制分子转化和制备催化材料。它们还揭示了关于构效关系以及反应环境对性能影响的关键且备受关注的问题。
本社论简要介绍全部八篇稿件，并考虑它们与现有文献的联系。一个共同的主题是：性能源于催化剂与其反应介质和底物的相互作用。在解释选择性转化时，必须综合考虑金属位点、酸性功能、载体、溶剂和电化学操作条件。该合集也为讨论实验室观察结果如何指导后续反应机理、催化剂耐久性和工艺评估工作提供了基础。
2. 分级分离：生物质利用的基础
选择性生物质转化取决于可及的原料。分级分离过程影响回收流股的组成和结构，从而影响合适的下游反应。关于木质素稳定性的研究表明，在分解过程中抑制缩聚反应有助于后续提质[5,6]。
Li等人研究了加压氨混合溶剂体系中的玉米秸秆分级分离[贡献1]。在探索性实验范围内，在200 °C、8 MPa下用50 vol%乙醇水溶液处理6小时，得到纤维素富集组分，纯度为89.6%，回收率为85.0%。组成和结构分析还揭示了氮优先掺入木质素富集组分中。该研究将原料解构与组分回收和改性联系起来。尽管其提出的化学路径仍是假设，但回收的组分为评估下游利用提供了起点。
3. 平台分子的选择性转化
作为典型的平台分子，糠醛展示了生物质衍生中间体的多种催化转化路径[7]。选择性羰基加氢生成糠醇，而进一步环加氢产生四氢糠醇，加氢脱氧得到2-甲基呋喃[8]。加氢环重排导致环戊酮[9]。糠醛及相关呋喃衍生物的开环氢解可获得二醇和其他多元醇[10]。氧化得到糠酸[11]，而脱羰基生成呋喃[12]。缩合后进行加氢脱氧，为燃料范围的烃类提供路径[13]。
Lin等人综述了用于糠醛选择性液相加氢制糠醇的铜基催化剂[贡献2]。讨论了铜物种、载体、助剂和制备方法，并将这些变量与底物吸附和反应选择性联系起来。此外，溶剂效应和副反应也受到特别关注。该综述还涉及无铬催化体系的开发，并将稳定性和机理表征确定为持续优先事项。
Yin等人考虑了通过水相加氢重排从糠醛到环戊酮的补充路线[贡献3]。他们的综述比较了贵金属、非贵金属和双金属催化剂，并讨论了加氢位点和酸性功能如何影响中间体形成和产物分布。水热稳定性和失活与活性和选择性一起被纳入。这两篇与糠醛相关的综述表明，催化功能和反应条件的变化导致相同底物产生不同产物。
电化学加氢为生物质衍生分子的提质提供了替代途径，其中电极电位、电解质组成和传质影响选择性和生产率[14,15]。在本特刊中，Zhang等人制备了一种花状锌基金属有机框架MBON-2，用于碱性介质中糠醛的电加氢[贡献4]。相对于可逆氢电极，在?0.20 V下，他们报道在58.34%糠醛转化率下，糠醇选择性为100%，法拉第效率为93.19%。电化学测量和原位红外光谱为底物吸附以及Zn和B位点作用的解释提供信息。该贡献为电驱动糠醛提质提供了一种多孔材料方法，并为后续评估生产率、材料稳定性和流动操作性能提供了基础。
氧化为呋喃类平台化学提供了另一个过程。5-羟甲基糠醛（HMF）转化为2,5-呋喃二甲酸（FDCA）将碳水化合物衍生的中间体与聚酯制造联系起来[16,17]。Guo等人综述了用于选择性HMF氧化制FDCA的贵金属催化剂，重点关注反应路径和活性位点性质[贡献5]。他们将实验研究与密度泛函理论计算相结合，探索金属的电子态与其几何结构、合金化、金属-载体相互作用和限域效应的关系。该综述强调了在液相加氢条件下确定催化剂结构的挑战，并指出了在运行中表征、抗浸出和失活以及减少贵金属负载等方向的发展需求。
4. 燃料、萜烯和生物质衍生催化材料
生物质利用超越了碳水化合物衍生的平台分子。Zheng等人开发了锚定在咪唑功能化活性炭上的磷钼酸铵，用于将β-蒎烯环氧化物转化为紫苏醇[贡献6]。在80 °C的硝基甲烷中，80分钟后报道了接近完全的环氧化物转化率和77.3%的紫苏醇选择性。使用溶剂比较、动力学分析和密度泛函理论计算来解释催化行为，并检查了可重复使用性。
微藻脂质通过脱氧、裂化和异构化提供航空燃料范围烃类的原料[18]。Lin等人综述了用于生物喷气燃料制备的微藻油加氢[贡献7]。他们讨论了加氢和脱氧以及裂化和异构化。深入讨论了双功能催化剂和镍基体系。还提出了催化剂筛选之外的问题，包括氢气供应、原料杂质、催化剂寿命、产品性能以及上下游工艺的整合。
生物质衍生前体也可用于制备用于氧还原的碳基电催化剂[19,20]。Li等人将血红素与尿素共热解以获得多孔Fe-N-C材料，并在氧还原和可充电锌-空气电池中评估它们[贡献8]。优化后的U-Fe-N-C催化剂相对于可逆氢电极表现出0.731 V的氧还原半波电位，在O2饱和的0.1 M KOH中电子转移数约为3.9。所得可充电锌-空气电池在含有0.2 M乙酸锌的6.0 M KOH中，在10 mA·cm?2下持续充放电循环270小时（每循环20分钟）。
5. 展望
这些稿件确定了未来生物质催化的三个相互关联的优先事项：理解选择性转化、维持催化剂性能和评估完整转化过程。机理研究应将反应条件下的催化剂结构与观察到的中间体、产物和速率联系起来。原位或操作测量、动力学和计算可以区分不同活性位点的作用，并检验所提出的反应路径。
应在延长操作期间使用代表性原料评估耐久性。需要将原料杂质、结垢、金属浸出和结构变化与催化剂回收或再生一起检查。对于电化学路线，同时报告转化率、选择性、法拉第效率、电流密度和能耗将提供更完整的持续性能度量。
这些催化剂层面的评估应辅以工艺层面的评估。原料制备、溶剂回收、氢气或电力供应、产物分离和副产物利用都影响工艺可行性。在确定的系统边界内评估经济和环境结果，将阐明实验室结果如何有助于实际的生物质利用。
八篇稿件将原料分级分离与选择性分子转化和生物前体制备催化剂联系起来。我们希望本期特刊鼓励进一步将催化理解与持续性能和生物质资源高效利用联系起来的工作。
