文献快讯：JACS 分子助催化剂实现木质素太阳能重整可调选择性

【成果掠影 & 研究背景】

木质素作为木质纤维素生物质的主要芳香族聚合物，是生产可持续基础化学品的重要资源，但其复杂且惰性的结构使得选择性升级回收面临挑战。传统光催化系统在木质素转化中常受限于产物选择性差、有机溶剂依赖以及可扩展性不足等问题，尤其在纯水溶液中的高效选择性系统尤为缺乏。太阳能驱动的重整技术为木质素转化提供了温和条件下的新途径，但如何精确调控光生载流子路径以实现多样化产物输出仍是关键难题。

本研究开发了一种基于ZnIn₂S₄（ZIS）的混合光催化系统，通过引入分子助催化剂实现了产物选择性的精准调控。在浓缩太阳能照射下（5 sun），系统将木质素模型化合物2-苯氧基-1-苯基乙醇（PP-ol）的转化路径从ZIS单独作用时的苯酚和苯乙酮（产率近90%）转向ZIS/NiP体系的H₂和2-苯氧基-1-苯基乙酮（PP-one）协同生产，H₂转化数（TON_H₂）高达120。进一步集成CO₂还原助催化剂（如NitpyP或甲酸脱氢酶FDH），可在CO₂饱和溶液中定向生产合成气（H₂/CO，TON_syngas=48）或甲酸盐（TON_formate=2200）。系统在户外真实阳光下稳定运行两天，太阳能加热至约60°C显著提升了性能与选择性，为木质素资源化提供了高效水性平台。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 构建ZIS基混合光催化系统，通过分子助催化剂精准调控光生电子路径，实现产物选择性从C–O键断裂到H₂、合成气或甲酸盐的多样化输出。

• 在纯水溶液中实现高效木质素转化，避免有机溶剂使用，提升系统环境友好性与可扩展性。

• 利用磷酸化镍分子助催化剂（NiP）高效提取ZIS导带电子，促进质子还原产H₂，同时氧化PP-ol至PP-one，实现电子-空穴协同利用。

• 通过助催化剂工程（如NitpyP或FDH）拓展CO₂还原功能，实现木质素与CO₂共转化，生成高价值合成气或甲酸盐。

• 系统在户外真实光照下表现出强鲁棒性，太阳能热效应（升温至60°C）与光强波动适应性显著，支持实际环境应用。

• 结合光电化学阻抗谱与石英晶体微天平技术，揭示助催化剂与ZIS界面电荷转移机制及吸附动力学，为理性设计提供依据。

Fig. 1: ZIS的表征（结构、光谱与电化学性能分析）

Fig. 2: 使用ZIS和ZIS/NiP的光催化PP-ol转化性能

Fig. 3: 户外实验环境参数与催化性能

Fig. 4: ZIS基系统光催化CO₂还原性能

Fig. 5: 可调反应路径的连续太阳能重整实验

【总结 & 原文链接】

本研究成功构建了一种基于ZIS的混合光催化平台，通过分子助催化剂工程实现了木质素太阳能重整中产物选择性的灵活调控。该系统在纯水环境中高效驱动木质素模型物及真实木质素转化，同步实现H₂、合成气或甲酸盐的定向生产，且户外测试验证了其在实际光照条件下的稳定性与适应性。工作揭示了光生载流子路径调控与界面电荷转移的协同机制，为生物质资源化与CO₂利用提供了多功能光催化策略，未来可通过助催化剂优化与反应器设计进一步推动实际应用。

原文链接: https://doi.org/10.1021/jacs.5c11981

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