农业农村部环境保护科研监测所在秸秆纤维素一步法高值清洁转化方面取得了相关进展

近日，农业农村部环境保护科研监测所在秸秆纤维素一步法高值清洁转化方面取得了相关进展，创新性的提出了在转化过程中调控催化剂电子云的技术，进而实现调控目标产物选择性的目的，通过系统的表征分析和实验数据探讨了反应路径，并用DFT模拟计算了反应机理，为实际秸秆转化制重要化工中间体提供了相关的理论和数据支撑。

山梨醇（Sorbitol）是一种重要的精细化学品，广泛应用于食品、药品、轻工及化工等领域。我国每年有大量的秸秆废弃物产生，以秸秆纤维素为原料制备山梨醇是农业废弃物转化制高附加值平台化合物的重要途径之一。将纤维素直接转化为山梨醇涉及两步：纤维素水解和葡萄糖氢化，高温有利于纤维素水解，但容易导致山梨糖醇过度加氢。研究团队提出了一种新策略，通过将部分电子从Ru转移到P来适当调节Ru催化剂的加氢活性，用于纤维素一步法制备山梨醇，所制备的催化剂可以避免在纤维素水解最佳温度（180-200℃）下发生山梨醇的过度加氢，从而提高了山梨糖的收率。

图1 秸秆纤维素一步法制山梨醇的示意图。

研究团队制备了基于水稻秸秆生物炭的双功能催化剂Ru2P/C-SO3H，系统研究了所制备催化剂的组成与山梨糖醇收率的关系。以葡萄糖为原料制山梨醇，2wt.% Ru2P/C在200 °C下得到了93%的山梨醇收率（2wt.% Ru/C得到63%），证实了P的调控作用。DFT结果同样揭示，采用P改性Ru来调控Ru的电子云进而降低H2分子和活性氢原子H*在Ru表面的吸附，进而大幅降低山梨醇的进一步氢解，实现了目标产物选择性的提升（图2a,b）。以纤维素分别用作原料时，2wt.% Ru2P/C-SO3H在200 °C下2小时内可获得64%的山梨糖醇收率，且没有Ru流失到产物中。此外，Ru2P/C-SO3H在实际生物质废物利用方面也表现出潜在的能力（图2c,d）。

图2 Ru2P/C和Ru/C在不同温度下葡萄糖的转化率和山梨醇的产率(a)；Ru2P/C和Ru/C的晶胞和电子定位函数(b)；Ru2P/C-SO3H一步法转化纤维素制山梨醇的时间温度收率(c)；实际废弃物在Ru2P/C-SO3H体系下的山梨醇收率(d)。

该成果以题为“Directly converting cellulose into high yield sorbitol by tuning the electron structure of Ru2P anchored in agricultural straw biochar”发表于《Journal of Cleaner Production》。农业农村部环境保护科研监测所乡村固废循环利用创新团队助理研究员仇茉为论文第一作者，南开大学化学院应用催化研究所为论文提供表征和理论计算支撑。本研究得到了国家自然科学基金（21978137和21878162）、天津市自然科学基金（20JCZDJC00770）等项目的资助。

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https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132364。