木质纤维素是可再生资源中极具潜力的一种天然聚合物，主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。木质素的复杂芳香结构使其在化工领域具有广泛应用前景，能转化为多种高附加值的芳香化合物。然而，实现木质纤维素高效分级的氧化催化分离（OCF）仍面临挑战。一方面，木质素的氧化通常需要高氧气压力及大量铜基催化剂；另一方面，这些条件容易导致纤维素的降解，生成不理想的脂肪酸类副产物，从而影响纤维素的收率和纯度。（图1）为了在温和条件下优化木质素和纤维素的转化率，研究团队提出了一种以Cu-Mn掺杂的CeO₂为催化剂的OCF新方案，通过调节金属掺杂比和氧空位的数量，成功实现了木质素的选择性氧化和纤维素的保存，为木质纤维素的资源化利用开辟了新路径。
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本研究探索了Cu-Mn掺杂CeO₂催化剂在低氧气压力条件下对木质纤维素的高效催化能力，平衡木质素的氧化效率与纤维素的保存效果。（图1）实验通过将铜、锰掺杂至CeO₂中形成固溶体，利用氧空位的活化作用，在相对低温和低压（0.1 MPa O₂）的条件下实现木质素的选择性分解，生成芳香单酚。通过电镜、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征方法，验证了Cu和Mn的掺杂促进了CeO₂的氧化还原性能，催化剂表面的氧空位为氧气分子的活化提供了理想场所。该方法在实验中表现出出色的催化效率，28.7%的木质素成功转化为芳香单酚，而83.9%的纤维素保留为固体，展示了催化剂对木质素的高度选择性及对纤维素的保护能力。
此研究展示了一种新型的木质纤维素分级氧化策略，不仅降低了催化氧化过程中对氧气压力和催化剂负荷的要求，还有效保护了纤维素的结构完整性。传统OCF工艺需要较高的氧气压力和大量铜基催化剂，这不但带来了安全和成本问题，也增加了纤维素降解的风险。而Cu-Mn掺杂CeO₂催化剂通过优化氧空位和金属掺杂比例，实现了温和条件下木质素的选择性氧化，有效减少了纤维素的降解。这种催化系统为生物质精炼领域的应用带来了新的启示，未来有望在木质素定向转化、催化剂优化等方面提供重要参考。此外，该方法的实现也有助于推进生物质在绿色化工中的资源化利用，助力可持续发展的实现。
标题：Oxidative Catalytic Fractionation of Lignocellulose Enhanced by Copper–Manganese-Doped CeO2
作者：Yuting Zhu, Ning Li, Huifang Liu, Cheng Cai, Yehong Wang, Junju Mu, and Feng Wang*
链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c04159
