摘要：催化领域的发展对于推动化学工业进步和实现可持续发展至关重要，寻找可持续且高效的催化剂载体一直是相关研究的重点，木质素作为一种丰富的生物质资源，正作为金属催化剂载体逐渐在催化领域崭露头角。天津科技大学司传领教授课题组系统阐述了木质素作为金属催化剂载体的研究进展，
催化领域的发展对于推动化学工业进步和实现可持续发展至关重要，寻找可持续且高效的催化剂载体一直是相关研究的重点，木质素作为一种丰富的生物质资源，正作为金属催化剂载体逐渐在催化领域崭露头角。天津科技大学司传领教授课题组系统阐述了木质素作为金属催化剂载体的研究进展，涵盖多种类型的木质素基催化剂载体的制备方法及其提升金属催化剂性能的作用；探讨了其在废水处理、生物质催化、能源转换等领域的应用情况；同时指出了当前研究面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望，为木质素基催化剂的进一步研究和应用提供了参考。该综述以题目“Lignin-based support for metal catalysts: Synthetic strategies, performance boost, and application advances”发表在《Coordination Chemistry Reviews》（中科院一区，IF=20.3）上。天津科技大学轻工学院博士后庞泰然为该论文第一作者，司传领和王冠华教授为通讯作者，天津科技大学为唯一通讯作者单位。
研究内容
1. 研究背景
自工业革命以来，对化石能源的依赖引发了环境污染和能源危机，促使人们开始寻求可再生资源。木质素作为一种含量丰富的可再生芳香族聚合物，尽管储量可观，但其在当前生物质综合利用体系里的开发程度较低，大量潜在价值尚未得到有效挖掘与利用。在催化领域，金属催化剂性能提升备受关注，催化剂载体对其性能影响重大，且金属-载体相互作用在多相催化中的作用日益凸显。在此背景下，木质素因其独特结构、丰富的官能团和可调化学性质，有望成为理想的金属催化剂载体材料，其在催化领域的研究也愈发受到关注。图1展示了不同的木质基金属催化剂载体在不同领域的应用。
图1 木质素基材料用于金属催化剂载体
木质素具有独特的化学结构，其复杂的三维网络由多种结构单元组成，富含官能团，如羟基、甲氧基和羧基等，这使得它能够与金属离子发生多种相互作用，包括配位、氢键和π-π相互作用等。这些相互作用不仅有助于金属的锚定，还有望调节金属的电子状态，从而提高催化剂的活性和稳定性。通过精心设计的合成策略，木质素可以转化为多种形式的催化剂载体（图2），满足不同催化反应的需求。
图2 一些用于金属催化剂载体的木质素基材料
2. 木质素基催化剂载体的类型与特性
木质素基催化剂载体的类型多样，每种类型均具备独特的物理化学特性。这些特性与催化过程中的效能紧密相关，在提升金属催化剂性能上发挥着至关重要的作用。因而，不同类型的木质素基催化剂载体在各自的催化应用场景中，优势与局限并存（图3）。在论文中，基于制备方法的差异，木质素基催化剂载体被划分为未改性/改性木质素、木质素/聚合物复合材料、木质素基碳材料三大类展开分析。
图3 当前木质素基金属催化剂的制备方式及特性
未改性/改性木质素：未改性木质素本身具备的酚羟基和羧基等官能团，能通过原位还原过程将金属催化剂有效锚定，提升其分散性和稳定性，其多样的形态也为催化剂的设计提供了灵活性。然而，由于木质素结构复杂、异质性较高，给催化剂性能的精确调控带来一定困难，且在某些条件下稳定性不足。化学改性手段如磺化、羟基化和接枝等，可增强木质素与金属的相容性，进一步优化催化剂性能，但目前该类催化剂主要适用于相对温和的催化体系。
图4 未改性/改性木质素用作金属催化剂载体的制备流程及形貌特征
木质素/聚合物复合材料：将木质素与其他聚合物复合形成的材料，具有更高的比表面积和更好的稳定性。例如在废水处理等需要较苛刻反应条件的催化应用中表现出优势，能提高催化剂的可及性和反应活性。但木质素的高异质性使制备这类复合材料的过程较为复杂，且当前木质素在其中的添加比例相对较低，限制了木质素特性的充分发挥。
图5 木质素/聚合物复合材料用作金属催化剂载体的制备流程及形貌特征
木质素基碳材料：经高温碳化制备的木质素基碳材料稳定性强，可适应多种催化环境，是纳米级和原子级金属催化剂的良好载体。通过掺杂非金属元素，能进一步改善其对金属催化剂性能的提升效果。然而，在提高金属分散性和优化与金属的相互作用方面，仍面临挑战，如精确控制碳材料表面功能化和孔隙结构等问题有待解决。
图6 木质素基碳材料用作金属催化剂载体的制备流程及形貌特征
3. 木质素基金属催化剂的应用现状
木质素基金属催化剂因结构特殊、性能出色，已在多个领域开展应用探索。论文重点阐述了木质素基催化剂在废水处理、生物质催化转化和能源转换领域的应用情况（图7），剖析了如何凭借木质素基载体与金属催化剂之间的协同作用，有效提升催化性能。同时也探讨了在不同应用场景下所面临的挑战与机遇，为进一步拓展其应用范围和提升性能提供了理论依据与实践参考。
图7 当前木质素基材料负载的金属催化剂的应用
废水处理：木质素负载的金属催化剂在废水处理中表现突出，能有效防止金属催化剂团聚，显著提高其回收和再利用性。在处理重金属（如Cr(VI)）和各类有机污染物（如染料、酚类化合物）时展现出良好的催化性能，为解决水污染问题提供了一种有效的途径。
生物质催化转化：在生物质催化方面，木质素负载的金属催化剂在平台化合物转化和木质素解聚过程中发挥了重要作用。其有助于提高反应的选择性和效率，推动生物质资源向高附加值化学品和燃料的转化，有利于实现生物质的高效利用。
能源转换：于能源转换领域，木质素基金属催化剂载体在制氢、费托合成和燃料电池等方面展现出应用潜力。例如在制氢过程中，木质素基载体可提升催化剂的性能，在费托合成中有助于烃类产物的选择性生成，在燃料电池中能增强电极反应的催化活性，为清洁能源技术的发展提供支持。
4. 当前木质素基金属催化剂所面临的挑战及未来展望
尽管目前木质素基催化剂载体的开发与利用取得了不少成果，但仍面临诸多挑战。木质素的结构复杂导致其加工和利用难度较大，需要开发更有效的提取和处理方法，以获得结构稳定且性能一致的木质素原料。同时，要深入研究木质素与金属之间的相互作用机制，这对于进一步优化催化剂性能至关重要。未来，还需开发更高效的木质素基金属催化剂载体制备工艺并探索新的木质素改性和复合材料制备策略，以提高其在不同催化反应中的性能，拓展应用范围，具体如下：
1) 开发更有效的木质素分离和改性方法，以获得结构更稳定、性能更优异的木质素基催化剂载体，满足不同催化应用的需求。
2) 深入探究木质素与金属之间的相互作用机制，通过理论计算和实验研究相结合，明确木质素关键官能团的作用，为催化剂的设计提供理论指导。
3) 优化木质素基碳材料的制备工艺，实现对其表面功能化和孔结构的精确控制，提高催化剂的性能和稳定性。
4) 拓展木质素为载体的催化剂在更多领域的应用，如有机合成和精细化学品生产，探索其更多潜在价值。
作者简介
庞泰然，天津科技大学博士后。主要从事木质纤维素生物质炼制和木质素基材料的开发与利用相关研究。2024年于中国科学院过程工程研究所获博士学位，同年入职天津科技大学。以第一作者在Coordination Chemistry Reviews、Green Chemistry、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表论文10余篇。申请/获授权发明专利3项。
王冠华，天津科技大学教授，博士生导师，主要研究方向为绿色生物质精炼过程木质素化学及高值转化利用。入选天津市青年人才托举工程，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才，天津市青年科技人才科技成果孵化转化PLUS培育计划，2024年度全球前2%顶尖科学家榜单，获天津市优秀青年科技工作者及全国创新创业优秀博士等荣誉称号。先后获批国家自然科学基金面上/青年基金，天津市自然科学基金等国家及省部级项目；以第一或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials和Coordination Chemistry Reviews等高水平期刊发表论文60余篇，其中，ESI热点/高被引论文8篇，封面论文5篇；授权发明专利12项，主持制订团体标准1项。研究成果获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
司传领，天津科技大学教授、博导、全国青联委员、科技处副处长。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。以第一或通讯作者发表论文200余篇，授权发明专利40余项。研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
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来源：老赵的科学讲堂
