第一作者：景亚轩，刘晓晖

通讯作者：景亚轩，王艳芹

通讯单位：华东理工大学，南京大学

链接: https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03817

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近日，华东理工大学王艳芹教授、南京大学景亚轩研究员以“NbOx-Based Catalysts for Biomass Conversion: Progress in the Past 20 Years”为题在ACS Catalysis期刊上发表综述。王艳芹教授团队以铌基催化剂对C-O、C-C键独特活化作用为研究核心，在近二十年的基础与应用研究中，逐步构建了“铌基催化剂制备——表界面性质调控——生物质转化反应——高附加值产物定向合成”的完整催化体系。基于该体系的系统成果，本文全面总结了近二十年来铌基催化剂上生物质催化转化的研究进展。

生物质作为自然界中唯一可再生的有机碳源，具有来源广泛、成本低廉和易于获取的显著优势。将生物质高效催化转化为高附加值化学品和燃料，已成为当前科学与工业领域的核心关注议题。然而，生物质结构复杂、分子量较高且化学性质稳定，使其在温和条件下的转化面临严峻挑战。因此，开发新型反应工艺与高效催化体系对于实现其高值化利用具有重要意义。铌基催化剂在生物质转化中展现出四个关键特性：1）铌基固体酸兼具可调控的 Lewis 与 Brønsted 酸性，在脱水、水解及 C–C 偶联等酸催化反应中表现出优异活性；2）NbOₓ物种独特的亲氧性能够高效活化 C–O 键，使其广泛应用于 C–O 键氢解和加氢脱氧反应；3）NbOₓ物种对苯环具有平铺吸附作用，并结合其表面 Brønsted 酸对苯环的质子化效应，从而实现对 C_ar–C键的选择性活化，这对于木质素解聚等反应至关重要；4）铌基受阻Lewis酸–碱对能够在无金属条件下实现氢气异裂，为生物质无金属加氢转化提供了新途径。综上，这些特性赋予铌基催化剂在生物质转化中优异的催化性能。

生物质含氧量高，转化过程中可能产生大量的水，甚至很多反应在水介质中进行，因此对催化剂的水热稳定性和抗金属浸出能力要求非常高。铌基催化剂不仅能在水相环境中保持长期稳定性，还能通过与金属活性位的强相互作用抑制金属浸出，从而保证结构与性能的稳定。除了优异的耐水性和抗浸出性能，铌基催化剂还具备多种催化作用，包括：酸催化活性、亲氧性对于C–O键的活化、亲苯环性对于C_ar–C键的活化、铌基受阻Lewis酸碱对对于H₂的异裂解离。此外，其催化性能还受到NbOₓ的局部配位环境、负载金属的加氢能力、几何与电子效应、金属-载体协同作用等因素的显著影响。

在生物质转化中，酸催化反应尤为常见，如纤维素水解、葡萄糖脱水、木质素解聚和碳链增长等重要反应。铌基催化剂具备可控的Lewis 与 Brønsted酸位点，其中Lewis酸主要来自配位不饱和的Nb⁵⁺中心，Brønsted酸则与表面Nb–OH基团相关。这两种酸性位的强度与密度可通过合成方法进行调控，从而优化其在各类酸催化反应中的表现。

生物质分子中富含含氧官能团，因此C–O键的选择性活化断裂是实现高效转化的关键。对于C-O键的活化，NbO_x物种独特的亲氧性使得其对C-O键具有很强的吸附活化能力，在金属解离的活性氢的协同下，实现了C-O键的高效活化断裂。NbO_x物种对O（或OH）具有超常结合能力的本质能力是：Nb5c 费米能级附近的d 能带更加离域，Nb5c 的最高占据轨道的能级较高，具有某些金属特性。铌基催化剂的物理化学性质会显著影响C-O键的活化断裂活性，其中NbO_x的配位环境对C-O键的活化断裂具有明显的影响，低配位的NbO_x物种具有更强的C-O键活化能力。

木质素中C_ar–C键的断裂是制备单体芳香化合物的关键。对于C-C键的活化，铌基催化剂的独特之处在于可选择性地活化与苯环相连的C_ar–C键。因此，对于木质素和芳香塑料降解到单环芳烃具有优异的活性，突破了木质素单体收率的极限。铌基催化剂对苯环有强的吸附作用，其表面B酸对吸附的苯环进行质子化，从而间接活化了与苯环相连的C_ar–C键，在金属解离的活性氢的协同下，实现了C_ar–C键的高效活化断裂。

加氢转化反应（如氢解、加氢脱氧等）广泛存在于生物质转化过程中，其效率依赖于H₂的有效活化。除传统金属纳米颗粒上发生的H₂均裂机制外，铌基催化剂中存在的受阻路易斯酸碱对结构可实现H₂的异裂解离，为生物质加氢转化提供了不依赖金属的催化途径。

景亚轩，南京大学特聘研究员，姑苏青年教授，博士生导师，南京大学青促会副会长。华东理工大学应用化学学士，工业催化博士（导师：王艳芹教授），新加坡国立大学化学工程联合培养博士（导师：颜宁教授），上海市超级博士后。主要研究方向为绿色催化、废塑料降解、生物质转化。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Nat. Rev. Chem., Acc. Chem. Rec., ACS Catal., Chem. Sci.等知名期刊发表论文28篇，其中JCR一区23篇，IF>10论文16篇，High cited paper 3篇。主持基金委面上、青年、中央高校业务费等项目8项。获WSETC Early Career Award，IChemE & CCST Young Investigator Award，石化联合会可持续发展青年创新奖，南京大学绿叶奖教金等荣誉十余项。受邀担任Nat. Commun.等20余个知名期刊审稿人，European Research Council（ERC）基金国际评审专家，高级职称材料外审专家，教育部学位论文评审专家等。

王艳芹，华东理工大学二级教授，博士生导师，第十一、十二届政协上海市委员，教育部新世纪优秀人才、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人、上海市教委“曙光学者”。长期从事催化新材料与新技术的研究，主要围绕废弃碳资源（生物质、塑料、C1）的催化转化、纳米/介孔材料的合成开展研究工作。在包括Nat. Rev. Chem.、Acc. Chem. Res.、Chem、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等学术刊物上发表SCI论文200余篇，被引20000+。主持基金委重点项目、科技部重点研发课题等项目，受邀担任ACS Catal.、Chem Catal.、ChemSusChem等期刊编委/客座编辑。