背景介绍
为了满足对可持续和环境友好型化学过程日益增长的需求，对生物质这一不可再生资源替代品的探索引起了科研界的关注。其中，生物质衍生醛类的升级在生物质精炼中起着至关重要的作用。本文综述了典型的生物质衍生醛类（5-羟甲基糠醛、糠醛、葡萄糖、木糖、香草醛和苯甲醛等）电催化氧化的最新进展，涵盖了各类醛的广泛氧化机制与相关研究介绍。当前现有研究表明，尽管在机制研究的全面性、催化剂稳定性和反应规模化扩展性等方面仍存在挑战，但快速的进展为未来的突破带来了希望。最后，我们阐明了这一领域的挑战并对未来的发展进行了展望。本综述论证了研究生物质衍生醛类电催化氧化的重要性，并强调需要持续研究以优化此类工艺以实现工业化的潜在应用价值。
图文解读
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电催化氧化的优势
相比于传统的热化学催化氧化工艺，电催化氧化具有以下优势：（1）反应通常可以在低温和常压下使用简单设备进行，且无需额外添加氧化剂及大量有机溶剂。（2）通过外加电位、调整电解质和电极材料等，可以实现生物质衍生有机物的可控转化，从而生产高性能的燃料和化学品。（3）在水溶液中进行的氧化过程，相对于氧气释放所需的能量输入，生物质衍生有机物的氧化可以降低水电解制氢的能耗。电催化氧化符合绿色化学的发展要求，在提高电能利用效率、促进多样化资源的使用方面发挥着重要作用。
图1. 生物质衍生醛类的来源及其电催化转化为高附加值化学品示意图。
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电催化氧化典型生物质衍生醛类研究
5-羟甲基糠醛（HMF）是一种非常重要的呋喃醛类化合物，来源于纤维素，因在生产燃料、聚合物和精细化学品方面的广泛适用性而成为生物质增值中的关键平台化学品。其电催化氧化的初始步骤通常包括羟甲基或醛基的氧化，然后是包括侧链官能团的进一步氧化、异构化和开环等一系列反应，从而生成各种中间体和最终产物。
图2. 5-羟甲基糠醛（HMF）的来源及转化产物。
糠醛是另一种具有代表性的呋喃醛类生物质衍生化合物，主要含有醛基和呋喃环，通过电催化氧化反应后可产生呋喃酮、呋喃酸、5-羟基-2(5H)-呋喃酮、马来酸、琥珀酸等有价值的化学物质。糠醛储量丰富，加工成本低，电催化选择性氧化糠醛作为一种可持续、环保的方法受到越来越多的关注，具有可观的经济价值。
图3. 糠醛的来源、转化及电催化氧化路径。
除了呋喃醛类，还有其他重要的生物质衍生醛类的电催化氧化受到广泛关注。葡萄糖是来源于纤维素的关键平台分子，可以转化为5-羟甲基糠醛、乳酸、葡萄糖酸和葡萄糖二酸等化学品。木糖是木聚糖的主要结构单元，是植物中第二丰富的糖，也被视为醛类，木糖氧化反应已经确定为一种有前途的有机酸生产方式。香草醛、苯甲醛等芳香醛类的氧化难度高，仍是当今具有巨大发展潜力的研究领域，特别是在获得高产率的增值化学品方面，进一步的研究将集中在开发出更高效、更稳定的催化剂以实现选择性电催化氧化升级。
图4. 香草醛和苯甲醛电催化氧化研究进展。
总的来说，在生物质衍生醛类电催化氧化的研究中，催化剂的选择对整个反应的效率和产物产率有着决定性的影响，设计具有高催化活性、高稳定性和低成本价格的催化材料是优化电催化过程的关键，这往往与催化剂类型的选择、合成方法以及催化剂的形态结构特征有关。此外，更详细地掌握电催化氧化机理是开发更有效的电极材料和设计能够有效调节活性的反应体系策略的基础。在实验层面构建了高效的电催化氧化体系之后，开发能够在高电流密度下工作的催化反应体系则是推进转化体系实现工业化应用的关键。
总结与展望
本综述介绍了典型生物质衍生醛类的电催化氧化的最新进展。产物的选择性高度依赖于催化剂、反应体系操作参数和醛分子间的相互作用，设计具有高效性能的专用催化材料对于生物质衍生醛类电催化氧化研究发展至关重要。在这一领域研究蓬勃发展的背景下，仍有以下方面的挑战值得关注：众多催化剂的筛选，材料合成策略的优化，反应体系的选择性和耐久性，电催化过程的能效，反应过程的扩大规模化。因此，未来的发展方向可以考虑从理论与实验的结合、阴阳两极反应的匹配、反应体系的工艺改进等方面进行针对性的研究。总之，对于生物质衍生醛类的电催化氧化研究体现着绿色化学的进步，可以推动研究朝着更可持续的化学工业方向发展。
原文信息
相关成果以“Recent advances on the electrocatalytic oxidation of biomass-derived aldehydes”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为中山大学严凯教授。
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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.09.004
撰稿：原文作者
编辑：GEE编辑部
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