木质素衍生碳限域镍催化剂用于木质素选择性加氢解制备富芳基 SAF 前体

《Bioresource Technology》：Lignin-derived carbon-confined Ni catalyst for selective hydrogenolysis of lignin toward aromatic-rich SAF precursors

　　

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  木质素自组装实现了碳限域Ni催化剂的合成。
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  碳限域有效抑制了Ni的烧结和聚集。
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  Ni–N–C界面促进了木质素的活化和C–O键的选择性断裂。
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  经过五个循环实现了芳香族SAF前体的稳定生产。

引言

木质素的资源化利用为将丰富的生物源碳转化为高附加值化学品和燃料中间体提供了一条可持续的途径。由于其固有的芳香结构，木质素在生产富含芳香基团的可持续航空燃料（SAF）前体方面尤为具有吸引力，为下一代航空燃料提供了可再生的芳香碳来源（Lv等，2025a，Shahabuddin等，2020，Stone等，2022，Webber等，2024）。然而，由于木质素具有异质性的三维结构、多样的单元间连接键以及对缩合和重新聚合的敏感性，木质素的高效解聚仍然具有挑战性（Liao等，2020，Rahimi等，2014，Song等，2019）。此外，可扩展的木质素资源化利用需要地壳丰度丰富且成本效益高的催化体系，这些体系需要同时提供高活性和长期稳定性（Abu-Omar等，2021，Jindal等，2023，Li等，2015，Liu等，2025a，Liu等，2025b，Yong和Wu，2023）。木质素约占陆地生物质中有机碳的30%，并作为丰富的可再生碳资源从生物质加工行业中大量产生（Dooley等，2014，Su等，2022，Zaheer和Kempe，2015，Zakzeski等，2010，Zhang等，2023b）。地壳丰度丰富且相对低成本的Ni因此为大规模木质素资源化利用提供了相对于贵金属的潜在经济优势。因此，开发能够将木质素高效转化为芳香中间体的稳健Ni基催化剂，对可持续生物质利用和后续SAF生产具有重要意义（Li等，2025，Zhang等，2023a，Zhang等，2023c）。

在木质素资源化利用路线中，还原催化解聚已成为生产芳香单体和富含芳香基团的SAF前体中间体的有前景策略（Chen等，2017，Qiu等，2024，Van den Bosch等，2015）。各种催化剂，包括Ru基（Liu等，2022，Wu等，2018）、Pd基（Wang等，2024）和Ni基材料（Mei等，2024），能够选择性地断裂β-O-4连接键，并实现30–60%的芳香单体产率（Van den Bosch等，2015，Zhang等，2023b）。然而，在还原和水热条件下，金属纳米颗粒容易发生烧结、积碳和活性位点丧失，导致催化剂快速失活（De Saegher等，2025，Ren等，2021，Talebkeikhah等，2023）。因此，构建具有稳定活性位点的稳健非贵金属催化剂，对于实现高效且可持续的木质素解聚至关重要。

在木质素还原解聚过程中，催化剂载体在决定催化剂的活性、选择性和耐久性方面发挥着关键作用（Colina等，2025，Lv等，2025b，Shen等，2024）。传统载体，包括金属氧化物（如Al₂O₃、TiO₂和CeO₂）和沸石，在水热还原条件下经常出现金属烧结、活性位点浸出和结构不稳定性，导致催化剂逐渐失活。相比之下，碳材料由于其优异的化学稳定性、可调的表面功能基团和独特的多孔结构而受到越来越多的关注（Le等，2024，Schutyser等，2018，Wang等，2025b，Xin等，2024，Zhang等，2022），这赋予了它们对金属聚集和浸出的优异抗力（Daelemans等，2025，Gao等，2025，Pang等，2025a，Wang等，2023，Zhou等，2025）。

更重要的是，碳骨架中的纳米限域可以通过空间限制有效抑制金属纳米颗粒的迁移和生长，并调节活性位点的局部电子环境（Chen等，2015，Hu等，2019，Li等，2022）。这些特征有助于提高催化稳定性、改善抗中毒性能和优化催化性能。近年来，碳纳米管、中空碳结构和杂原子掺杂碳材料已被广泛探索作为限域材料（Deng等，2013，Pan和Bao，2011，Shen等，2022，Shi等，2026，Wei等，2026，Weng等，2019，Yu等，2023，Zhu等，2023）。先前的研究表明，限域效应可以稳定金属活性中心并促进催化反应（Ma等，2025，Sheng等，2024）。

尽管取得了这些进展，碳限域结构在木质素还原解聚中的作用仍然了解不足。特别是，限域微环境对非贵金属活性位点稳定性的影响、界面电子结构的调节以及木质素连接键选择性断裂的作用，尚未得到系统阐明。因此，开发具有稳定碳限域结构的稳健非贵金属催化剂，对于高效的木质素资源化和航空燃料前体的可持续生产非常迫切（Lv等，2023，Pang等，2025b，Sharma等，2020）。尽管负载在N掺杂碳材料上的Ni纳米颗粒已被广泛研究，但在木质素加氢解聚过程中，木质素衍生碳限域、界面Ni配位与Ni位点稳定性之间的具体关系仍未得到充分确立。特别是，在还原性木质素解聚条件下，限域碳微环境和界面电子结构如何共同影响Ni分散度、底物活化和催化剂耐久性，仍不清楚。

在本研究中，通过分子自组装辅助的原位碳化策略构建了一种木质素衍生碳限域Ni催化剂（Ni/LC）。该策略不仅依赖于N掺杂，还创建了限域Ni–N–C界面环境，同时调节Ni活性位点的结构稳定性和电子性质。使用酶解木质素作为原料，优化的Ni/LC催化剂实现了16.8 wt%的单酚产率，并在五个连续反应循环中保持了稳定的催化性能。结果揭示了结构-性能关系：碳限域抑制了Ni的迁移和聚集，而Ni–N–C界面环境促进了木质素衍生C–O键的活化。因此，本工作的科学贡献在于确立了限域效应和界面效应的耦合如何调节木质素加氢解聚过程中Ni的稳定性和催化行为。

各节摘要

Ni/LC催化剂的制备

N掺杂木质素衍生碳限域Ni催化剂是通过分子自组装辅助的水热碳化策略合成的。简而言之，将1.0 g酶解木质素分散在20 mL无水四氢呋喃中，并通过超声处理。同时，将3.0 g尿素和不同量的四水合乙酸镍（0、0.42、0.84和1.26 g）溶解在去离子水中制备前驱体溶液。所得催化剂标记为LC、10Ni/LC、20Ni/LC、

Ni/LC催化剂的表征

图1a展示了N掺杂木质素衍生碳限域Ni催化剂（Ni/LC）的制备过程。首先，将EHL溶解在四氢呋喃中，然后引入水相中。由于木质素大分子的两亲性，通过芳香基团间的π-π堆积和含氧功能基团间氢键相互作用的协同效应，自组装自发诱导，形成稳定的

结论

总之，通过自组装辅助的原位碳化策略构建了一种木质素衍生的N掺杂碳限域Ni催化剂，用于酶解木质素的还原解聚。得益于碳限域和Ni–N–C界面结构的协同效应，优化的20Ni/LC催化剂实现了16.8 wt%的单酚产率，并在五个连续循环中保持了稳定的催化性能。实验和理论结果相结合

CRediT作者贡献声明

廖智杰：撰写—初稿、验证、调查、数据管理。邓雅欣：形式分析。魏正涛：数据管理。王楠：撰写—审阅与编辑、监督、资金获取。祁怡：调查。邱雪清：监督、资金获取。林旭良：撰写—审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（U23A6005和22508056）以及中国石化工程（集团）公司研发项目（SEG124001和SEG124002）的资助。

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