一、项目简介 生物质资源是自然界唯一的可再生有机碳资源，是自然界经过亿万年进化而来的具有生命力的生生不息的一种能源形势。我国作为农业大国拥有丰富的生物质资源。比如，我国每年生产的秸秆约7亿多吨，除40%用作饲料、肥料外，约60%尚未被有效的利用。如何处置这些废弃物是一个令人头痛的难题。现代科学研究发现，通过化学催化的方法可以化腐朽为神奇，将这些大自然的馈赠转化为化学品(譬如乳酸等)和燃料，这为此类有机碳资源的合理利用提供了一条有效的解决方案。此外，催化转化生物质还能有效推进清洁能源资源多能互补和规模应用，显著地减少石油等化石资源的消耗，最终有力地促进社会经济的可持续发展。 二、前期研究基础 木质纤维素类生物质主要包含纤维素(~50%)、半纤维素(~20%)和木质素(~20％)。从化学结构来看(见右图)，纤维素由六碳的葡萄糖通过β-1,4-糖苷键链接而成(区别于可食用的淀粉，纤维素中β糖苷键化学稳定性更高，无法被人类消化系统降解)；半纤维素由五碳糖分子构成；木质素则是苯丙烷结构单元组成的聚合物。理论上讲，只要选择地切断这些超大分子中特定位置的C-O和C-C化学键，就能制备乳酸等重要的化学品。如何精准裁剪生物质大分子，其关键是设计和制备一把具有分子尺度的化学剪刀—催化剂。 研究团队在国际上较早开展生物质催化转化方面的基础研究，发展了系列可选择性裁剪纤维素等生物质分子C-O键的催化剂，制得各类C6化学品(见下图)。比如，(i)率先报道在醇类(甲醇或乙醇)介质中纤维素催化转化的新体系；以杂多酸为催化剂高效地切断纤维素β糖苷键获得可生物降解的表面活性剂--葡萄糖苷 (Chem. Commun. 2010, 46, 2668)。(ii)利用杂多酸盐、碳纳米管和贵金属纳米粒子分别构建了水解-加氢和水解-氧化双功能催化剂，实现纤维素选择性转化制山梨醇和葡萄糖酸以及纤维素平台化合物5-羟甲基糠醛(HMF)定向转化制呋喃二羧酸(FDCA)等重要反应 (J. Catal.2010, 271, 22; Chem. Commun.2011, 47, 9717; Chem. Commun.2009, 46, 7179; Chem. Eur. J.2012, 18, 2938; Dalton Trans.2012, 41, 9872; ACS Catal.2014, 4, 2175; ChemCatChem2015, 7, 2853)。(iii)通过预氧化α羟基削弱邻近C-O键能这一旁敲侧击的新策略，以Pd/CeO2双功能催化剂准确地将木质素模型化合物中的桥连碳氧键切断，获得苯酚等芳香化合物(Green Chem.2015, 17, 5009)。 选择性剪切纤维素C-O键制备各类重要化学品 这些前期基础研究工作丰富了研究团队在生物质化学键活化和转化方面的认识，为我们在微观尺度下设计裁剪生物质其它化学键(如C-C键)的分子剪刀催化剂积累了经验。 三、应用技术成果 原生生物质的直接转化制乳酸成本低，现实意义重大，但是不言而喻，也更具挑战性。将过渡金属离子体系用于甘蔗渣、茅草、麸皮等原生生物质的直接转化(见下表)，同样获得较佳的乳酸收率 (30~60%)。其中，即使在相对较高的初始底物浓度(2.5 wt%)条件下转化麸皮，乳酸收率可达>50%。 原生生物质的直接转化制乳酸 原料 反应条件 原料浓度0.3 wt%；H2O 30 mL；金属离子 0.14 mmol；190 oC；15 h 乳酸收率 (%) 40 45 64 反应条件 原料浓度2.5 wt%；H2O 100 mL；金属离子 0.14 mmol；190 oC；24 h 乳酸收率 (%) 37 33 52 四、合作企业 无