上海交大Angew：铁-锰催化剂实现木质素的高效转化

研究背景

合成气作为生产燃料和化学品的重要原料，目前主要通过天然气或煤炭在高温高压下生成，然而这类方法耗能高、成本大，并且伴随大量碳排放。为实现碳中和目标，迫切需要找到更清洁、更经济的合成气制备方法。木质素，作为木质纤维素生物质的重要组成部分，约占其30%的重量，富含C-C和C-O键，是一种理想的制备合成气的原料。然而，木质素结构复杂且化学性质稳定，难以通过传统方式高效分解。虽然贵金属催化剂在木质素转化方面表现出色，但其成本高昂，限制了实际应用的规模。

成果简介

基于此，上海交通大学周宝文设计出一种铁-锰双金属催化剂，与铟镓氮化物纳米线结合，在太阳能驱动下实现木质素的光催化转化。该催化剂能够同时激活木质素中的C-C和C-O键，大幅提高转化效率，为无贵金属催化剂在绿色能源与生物质利用方面的应用带来了全新突破。该项成果以“Binary Iron-Manganese Cocatalyst for Simultaneous Activation of C-C and C-O Bonds to Maximally Utilize Lignin for Syngas Generation over InGaN”为题，发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究亮点

1 本文采用铁-锰双金属催化剂，成功激活木质素中的C-C和C-O键。该催化体系解决了以往催化剂仅能单独激活C-O键的局限，显著提升了木质素的利用率和转化效率。

2 与传统贵金属催化剂相比，铁-锰催化剂成本低、资源丰富，适合大规模应用。研究证明其在光催化合成气生成中的活性不逊于贵金属，为清洁燃料生产提供了一种经济可行的方案。

3 该体系展示了42.4 mol·g_cat⁻¹·h⁻¹的合成气生成速率和11.8%的光燃料转换效率。借助InGaN纳米线的广谱光吸收和优异的电荷分离性能，实现了光驱动下木质素高效绿色的转化。

图文导读

图1 铁-锰催化剂激活C-C和C-O键机理示意图

图1展示了铁-锰双金属催化剂与铟镓氮化物（InGaN）纳米线的复合结构，详细描绘了该催化剂的组合方式，强调了其在反应中同时激活木质素分子中的C-C和C-O键的作用机制。通过此图，可以看到催化剂如何与InGaN纳米线结合，利用其优异的光吸收和电荷分离特性，从而最大限度的利用木质素中丰富的-OCH₃和-CH₂CH₂CH₃等基团。这种催化剂设计策略不仅提高了木质素的转化效率，还能在光照条件下生成高选择性的合成气，包括H₂和CO，从而为可持续能源生产提供了重要的技术支持。

图2 铁-锰双金属催化剂修饰的铟镓氮化物纳米线的结构组成分析

图2 展示了铁-锰催化剂修饰的铟镓氮化物纳米线的结构、元素分布和物理化学特性，通过多种表征技术详细解析了其在光催化木质素转化中的关键作用。首先，图中的扫描电子显微镜图像可看出铁-锰催化剂修饰的铟镓氮化物在硅衬底上的微观形貌。其直径为40-70 nm、长度为280-400 nm，表明其具有高比表面积，可以最大化反应位点的暴露。其次，高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像揭示了铁和锰纳米簇在铟镓氮化物表面的均匀分布，通过能谱分析图像验证了Fe和Mn元素的分布情况。

此外，X射线光电子能谱分析揭示了铁和锰在催化剂表面的氧化态和化学环境，确认了Fe处于Fe³⁺氧化态，而Mn则为Mn²⁺氧化态。这些分析强调了铁-锰催化剂与铟镓氮化物纳米线之间的相互作用，以及它们在光催化反应中作为活性位点的重要性。此外，本文还分析了负载铁-锰双金属催化剂对铟镓氮化物纳米线对光电荷载流子行为的影响。结果显示，铁-锰修饰显著提高了电荷的寿命，这有助于增强光催化反应的效率和选择性。

图3 光驱动条件下铁-锰催化剂促进木质素合成气生成的活性与影响因素

图3 展示了铁-锰催化剂修饰的铟镓氮化物纳米线在光驱动条件下进行木质素合成气生产的实验结果。图中比较了不同金属催化剂修饰下的活性，铁-锰双金属催化剂表现出优异的合成气生成速率和高的选择性。此外，还研究了催化剂加载量、木质素浓度和光照强度对反应效率的影响，揭示了最佳反应条件下的最大活性。稳定性测试显示了催化剂在一定时间内的可靠性，为铁-锰催化剂在可持续能源生产中的实际应用提供了重要的实验支持和理论依据。

图4 光驱动条件下铁-锰催化剂对木质素的反应机理研究

图4 展示了铁-锰催化剂在光驱动条件下对木质素转化过程中的关键机理。通过电子顺磁共振（EPR）实验和同位素标记技术，揭示了反应中产生的主要自由基（如•CH₃和•OH），以及它们如何促进合成气的生成。还比较了不同木质素模型化合物的转化活性，强调了-OCH₃和-C₃H₇基团在提高反应效率中的作用。这些发现深化了对铁-锰催化剂在木质素光催化转化中机理的理解，为开发高效能源转化技术提供了重要参考。

总结展望

本文探讨了铁-锰双金属催化剂在光驱动条件下对木质素的高效转化，成功实现了绿色合成气的生产。作者创新性地设计了铁-锰催化剂与铟镓氮化物纳米线的复合材料，有效激活了木质素中的C-C和C-O键，极大提高了合成气的生成速率和选择性。实验结果表明，该催化剂在最佳条件下实现了42.4 mol·g_cat⁻¹·h⁻¹的合成气生成速率和93%的选择性，同时展示了良好的光能转换效率。这一研究不仅突破了传统催化剂的局限，提供了一种低成本的替代方案，同时为木质素的资源化利用开辟了新途径。

尽管本研究展示了铁-锰催化剂的良好性能，但在长期运行中的稳定性和耐久性仍需进一步验证。催化剂的负载量、反应温度及木质素来源的多样性可能会对催化效果产生显著影响，这些因素需在后续研究中综合考虑。其次，可以探索不同类型的光催化材料与铁-锰催化剂的结合，以实现更广泛的反应条件和更高的催化活性。建立更完善的反应机制模型，深入研究反应过程中的中间产物及反应路径，将为优化催化剂设计和反应条件提供理论基础。

文献信息

Binary Iron-Manganese Cocatalyst for Simultaneous Activation of C-C and C-O Bonds to Maximally Utilize Lignin for Syngas Generation over InGaN. Angewandte Chemie International Edition，https://doi.org/10.1002/anie.202413528