每周文献精选

体娱 2024-12-23 08:30 北京

为了更加方便读者追踪生物质领域研究动态，本公众号每周一推出《每周文献精选》栏目。编辑部成员每周末将会对近期上线的高水平论文进行总结并最终筛选出10篇论文，然后对筛选出的论文进行简单评述。欢迎读者对筛选出的论文进行点评并提出宝贵意见！

尽管石墨烯和石墨烯相关二维材料（GR2Ms）在各种应用领域具有很大潜力，但目前大规模生产这些材料的方法严重依赖石墨矿物和能源密集型技术。该研究报告了一种在常温常压下仅使用浓硫酸一步法脱水缩合制备克级生物质石墨烯相关二维材料的经济绿色方法。该方法已成功应用于各种类型的生物质和碳水化合物，GR2M 产品的质量收率为 33%。该产品的特性与经典的还原氧化石墨烯（RGO）一致，但不需要从石墨矿物中生产。温和的反应条件大大降低了能量输入，同时为监测 RGO 的成核和生长动力学提供了一个简便的平台。与传统方法相比，能耗降低了 98%。总之，这项研究成果为可扩展和可持续的 GR2M 生产铺平了一条新的道路。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41893-024-01480-x

作为高辛烷值的燃料添加剂，生物质衍生糠醚（FE）可以显著提高燃油效率。在传统的糠醇制FE工艺中，Al -分子筛中的强酸位往往会导致目标产物FE出现严重开环。因此，迫切需要设计出既能有效催化FA醚化又能防止FE分解的固体酸。在此，我们证明了锗硅酸盐（Ge-沸石）与传统的Al沸石和Ti沸石相比表现出更高的目标FE产率。锗分子筛（Si/Ge = 3-10、UOV、BEC和-IRT）由于特殊的富锗双四元环（D4R）构建单元，具有丰富的酸位，适当的强度和良好的扩散能力。在实验条件下，UOV、BEC和-IRT拓扑结构中的Ge-分子筛在反应60、15和5 min后的FEE产率分别为85.3 %、89.8 %和75.6 %。密度泛函理论（DFT）模拟证实，这些分子筛内 Ge 原子上 FEE 开环的能垒远高于传统铝分子筛中 Al 原子上的能垒。Ge-沸石固有的超大孔径通道也最大限度地减少了孔内扩散限制，极大地提高了活性位点的可及性和产物的快速扩散。同时，该分子筛在醇溶剂体系中表现出一定的结构稳定性，具有良好的可回收性和实际应用价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124956

通过木质素的电解生产H₂是一项很有前途的技术，与最先进的水的电解相比，它提供了几个理论上的优势，例如：i)由于有利的热力学，可以在较低的电极化下工作，ii)生物质废物的增值。木质素的电氧化似乎是整个电解过程的限制反应。因此，开发这种反应的高效/智能催化剂是至关重要的。本研究的目的是为了更深入地了解催化剂的形态和理化性质对所期望的电化学过程的影响。因此，我们开发了多种镍/碳材料，其标称镍含量从1%到20%不等。对这些材料的全面表征表明，低镍负载的催化剂表现出与碳载体强相互作用的小针状纳米结构。然而，随着负载的增加，我们观察到这种小的镍基纳米结构与覆盖在支架上的更大的纳米片状结构共存（相互作用较弱）。电化学结果与原位表征技术（拉曼和XANES）的评估一起进行了讨论，并提出了一个全局模型，其中木质素电氧化的电化学活性主要归因于含氧官能团的高表面积碳载体与小型镍基纳米结构之间的协同作用。而较大的纳米片状结构在这种电化学过程中是无效的。因此，本研究为开发先进/智能木质素电氧化材料打开了一扇新的窗口。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124947

电化学生物质氧化为利用绿色电力生产高价值化学品提供了一种可持续的方法，同时还能通过析氢反应（HER）联产氢气燃料。这种介质通常在碱性电解质中进行以提高效率，但实际上会导致生物质分子中发生明显的副反应，比如Cannizzaro歧化反应和自聚合反应。此外，阴极在 HER 过程中对生物质的负面影响，导致大量碳损失，经常被忽视。我们的研究介绍了利用氧化还原储层（RRs）来有效地解耦半反应，允许它们独立运行。RRs具有很高的正形式电位，在开路条件下能自发地在水中（无需支持电解质）进行 5-羟甲基糠醛氧化反应（HMFOR）。这种方法不仅消除了对最终产品进行后续纯化的需求，而且即便反应物浓度很高时，也能显著避免副反应的发生。原位 X 射线吸收光谱显示，RRs的Ni³⁺物种是水相 5-羟甲基糠醛氧化反应的活性位点，且该反应遵循一级动力学。此外，糠醛的成功氧化证明了 RRs 的灵活性，表明它们对各种有机底物具有广泛的适用性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158764

激活乙酰丙酸（LA）高效加氢制 γ-戊内酯（GVL）的反应体系对生物质的可持续发展具有重要意义。在此，基于电气石（TM）活化水相体系的策略，Cu-Ni/ZrO₂@TM/C 催化剂采用全固相法轻松构建，表现出出色的催化性能，这得益于电气石的自发极化和远红外辐射特性以及强烈的金属-金属和金属-载体间相互作用。在 180 °C、150 min 和 1.5 MPa氢气的最佳反应条件下，实现了乙酰丙酸 100.0% 的转化率和 γ- 戊内酯 93.0% 的产率。各种测试和理论计算证实，具有自发极化电场和远红外辐射的电气石可以破坏分子间氢键，形成小水团簇，以激活水相环境，促进活性物质的运输，并大大降低氢化势垒。电气石的水活化效应、ZrO₂的酸性位点与氧空位以及 Cu-Ni 双金属的合金结构能够协同助力活性物种的传输，从而增强水辅助质子跳跃。此外，还提出了一个合理的电气石活化水相体系来解释乙酰丙酸水相加氢反应增强的原因。这项研究创新性地阐明了用于生物质衍生化学品高效水相加氢的功能性非贵金属催化剂的构建方法。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158732

低碳环保不饱和聚酯热固性塑料的发展受到了广泛关注。以可再生蓖麻油和异山梨酯为原料，采用简单温和的方法制备了甲基丙烯酸蓖麻油（MCO）和甲基丙烯酸异山梨酯（MI）。随后，用活性稀释剂MI按不同配比固化MCO树脂，通过自由基聚合法制备了多种可持续不饱和聚酯材料（MCO-MI）。对MCO和MI的化学结构、粘度、生物基碳含量和LD50进行了评价，并对固化后的MCO-MI热固性材料的力学性能、热力学性能、耐溶剂性和生命周期评价（LCA）进行了研究。结果表明，MCO和MI具有低粘度（746和4 mPa s）、化学毒性和高生物基碳含量（85.9和76.9%）的特点。当MCO与MI的质量比为40:60时，所得的MCO-MI热固性材料具有最佳的热力学性能，T_g为170.2℃，抗拉强度为35.6 MPa。此外，LCA结果表明，与传统的含苯乙烯的石油基不饱和聚酯材料相比，MCO-MI热固性材料具有显著的环境效益。这项工作为利用生物基构建块制备环保和高性能不饱和聚酯材料提供了见解。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c07624

随着生物基高分子合成技术的成熟，生物基控释肥料（BCRFs）得到了广泛应用。尽管取得了这些进展，但目前生物基涂层结构松散，交联密度低，防水性差，导致控释期短，不能满足作物在整个繁殖阶段的长期营养需求。此外，解决这些问题的现有修改通常涉及添加外部添加剂，这可能会增加生物毒性和成本。本研究以蓖麻油（CO）为原料，采用“一锅法”合成了蓖麻油基超支化多元醇（COHBPs）。我们报道了高交联密度生物基超支化聚氨酯（COHBPPFs）作为BCRFs涂层的发展。凝胶含量和SEM分析表明，COHBPPFs表现出高度的交联。使用电子通用试验机进行机械测试，以及AFM结果，与传统涂层相比，COHBPPFs具有优越的机械性能。COHBPPFs显著提高了控释性能，3%的涂层含量可提供近50天的控释，与传统涂层相比有显著改善。通过模拟COHBPs与PAPI的交联过程，阐明COHBPPFs的控释机制。本研究从多个角度对CRF涂层进行了全面的研究，并为开发高交联密度、环保和可再生的生物基CRF提供了有价值的见解。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c08547

可编程材料广泛应用于生物医学设备、执行器、软机器人、自适应表面和可展开结构等多个领域。然而，当前的智能材料通常仅响应单一刺激（如温度、湿度或光）。本研究通过直接墨水书写（DIW）技术，制造了一种新型的多刺激响应复合材料，以实现空间和时间上的可编程性以及逻辑运算的计算。该复合水凝胶由聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）或聚丙烯酸（PAA）与海藻酸钠（SA）构成的双网络基质，并通过高含量的纤维素纳米晶体（CNC，14 wt%）和纳米纤维（CNF，1 wt%）进行增强。这些复合材料能够同步调节对温度、pH值和离子浓度等外部刺激的响应，从而精确控制其随时间变化的膨胀与收缩行为、形状变形及机械性能。基于该双网络水凝胶，设计了一种执行器，能够响应多种刺激场景并显示双向弯曲。最后，为了充分利用这种新型复合材料的多响应性和可编程性，布尔代数概念被应用于设计和执行“非”、“是”、“或”和“与”逻辑门，为开发具有具体逻辑功能的自驱动材料开辟了新路径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409864

具有天然离子传导链段（例如羟基）的生物质材料，作为可持续电池的潜力材料，受到越来越多的关注。近年来，研究者通过分子间结构调节来增强生物质聚合物中离子传导性能，但目前对生物质聚合物电解质的认知和研究仍处于初期阶段，亟需进一步探索以推动其在电池领域的应用。在此研究中，提出了一种分子不对称电解质，包含淀粉多糖和壳聚糖。该电解质通过酯羰基的弱Li⁺−氧（O）相互作用替代了羟基（Li⁺−O），并且由空间位阻基团（如-NH³⁺）促进阴离子的固定和界面稳定。这种分子间的化学调节通过多糖的酯化和质子化过程实现。酯羰基、甘油和阴离子参与的松散溶剂化笼结构为Li⁺提供了快速的传导通道（在30°C时，电导率为1.82 × 10⁻⁴ S·cm⁻¹）和较高的Li⁺迁移数（0.49）。此外，基于这种电解质的Li对称电池（2500 h）以及Li₄TiO₅|SCA电解质锂电池（400次循环）显示出优异的循环稳定性。该多糖基BPE和溶剂化调节策略为构建高性能、可持续的电池提供了一个有前景的途径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202409680

本研究解决了由醋酸纤维素（CA）和聚乙烯亚胺（PEI）组成的静电纺丝膜对 CO 的两个限制捕获。此中阻碍是 PEI 在水存在下容易从 CA 基质中洗脱，并且其机械性能相对较差。该方法涉及创新地掺入草酸处理的纤维素纳米纤维（CNF），以增加 PEI 保留率，以及爆破和拉伸强度。基于羧酸铵形成的 CNF 和 PEI 的协同作用被假设为增强 CO₂吸收。该研究评估了 14 种不同膜的吸附能力，分析了它们的物理、机械和化学特性。它还意味着优化 PEI 含量以防止洗脱并确保潜在废气处理的适当性能。在这种情况下，与众所周知的 TEMPO 介导的氧化相比，与草酸酯化被认为是在纤维素上引入羧基更合适的方法，因为后者会导致高粘度的 CNF 悬浮液，不适合静电纺丝。总体而言，含有 4 wt% PEI 和 CNF 的膜经 75 wt% 草酸预处理，性能最佳。CO₂吸附遵循准一级动力学，达到超过 4 mmol/g 的饱和值。此外，膜是可重复使用的，在 5 个循环中未检测到吸附能力的任何显着损失。综上所述，本研究为可持续工业过程提出了一种强大的解决方案，无论是在抵抗压力还是在 CO 方面捕获。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144428

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生物质前沿

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1月10日三亚生物质前沿大会--会议日程

ChemSusChem | 可用于包装材料的在纳米纤维素薄膜上的木质素衍生分子的可逆光响应疏水涂层

哈工大邢德峰教授团队Renew Sust Energ Rev | 木质纤维素生物质厌氧消化：过程强化与人工智能

Nature Materials | 木质素脱氧生产可持续航空燃料

每周文献精选

四川大学石碧院士/蒋智成副研究员 Nano Today | 生物基紫外屏蔽膜保护光敏农药

广工大邱学青教授/张文礼教授团队IJBM | 低共熔溶剂从玉米芯木质素中分离对香豆酸随后热解木质素转化成单酚

Chem | 氢键催化生物质高值转化

齐鲁工业大学董志国、陈雷等CEJ | 焦耳热驱动木质素闪速热解制备石墨碳材料

山东理工柳善建教授和毕冬梅副教授团队CEJ | 生物质富氮热解碱及碱土金属（AAEMs）对“三素”行为相互作用机理

Acs Sustain Chem Eng | 一种全植物基耐水耐油纸复合材料

会议通知 | 2025固体废弃物国际会议（2025年6月9-12日，东莞）

每周文献精选

中科院陈景团队 ACS Appl. Bio Mater. | 可降解、生物相容医用生物基聚氨酯材料

温州大学陈亦皇和广科院测试所刘琼JEC | 原子级Rb-N结构工程化调控自由基路径促进高效选择性光催化H2O2耦合生物质升级

The Innovation Energy | 光催化生物质重整制氢：可持续制氢新技术

华南理工李宁教授团队Chin J Catal | 用于糠醛和废物高值化转化为手性N-芳基天冬氨酸的化学/酶级联反应

广工大田志鹏/王珺瑶/王超教授团队团队JCP | 碱液原位捕获CO2强化传质的甲醇水相重整制氢技术：反应性能及过程能耗分析

Science大地震|寒门师妹逆袭为特级教授，将解决木质素百年难题

Carbon Research | 沸石和竹生物炭作为混凝土中CO₂吸收剂的效果

三亚生物质前沿论坛报到通知：五十余报告，领航高值化应用与材料开发新篇

倒计时3天！350+名单！第四届非粮生物质高值化利用论坛12月20-21日合肥见！

厦门大学曹名锋/何宁教授团队Biotechnol. Adv. | 合成生物学策略提高木质纤维素水解液中抑制剂耐受性

天津科技大学司传领/王冠华/徐婷AEnM封面文章 | 木质纤维素基硅碳材料用于可充电电池的功能化设计

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南京农业大学徐禄江副教授和方真教授团队CEJ | 棉秆与聚乙烯水热协同效应的综合研究

湖北大学杨世辉教授团队《自然·通讯》 | 开发模型指导的主流代谢途径弱化中间底盘策略，改造非模式微生物为高效生物炼制底盘细胞

天津科技大学司传领/朱礼玉/徐婷、农业农村部环保所申锋NML：质子传导型MOF的精准工程化构建

南昌大学王允圃、周若兰等CEJ | “煮豆燃豆萁”—南酸枣核在微波热解中的综合利用新策略

青岛大学贲昊玺&杨晓丽团队Journal of Catalysis | Pd/WO3催化剂晶体缺陷助力纤维素高效转化为C2醇

2024生物质大会！朱锦、王小慧、段培高、张军、周祚万、李昌志、徐俊明、常春、鲍杰、马建中、张兴宏......等大咖分享！

郑州大学生物质炼制课题组李攀副教授Energy | 微波作用下使用碳化MOF催化剂从生物质和塑料中生产富单环芳烃生物油

广东工业大学李凯欣教授团队Fuel | 生物质废弃物衍生的载Ru的生物炭催化剂用于木质素及其模型物选择性和高效转化

【相聚北海】1月13-16日全国农产品生物毒素防控与食品安全论坛

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ACS Catalysis | 通过Cu的双金属共定位优化Pt上糠醛的电化学加氢

Applied Energy | 共振驱动微波加热提高甲烷产氢气效率

Carbon Research | 机器学习辅助水生生物质生物炭的生产

宁夏大学马玉龙教授团队ACS Catal. | 双缺陷Ni/CeO2/C加氢脱氧催化剂缺陷工程构筑

中南林业科技大学杨焰/廖有为团队通过Fischer Esterification反应制备桐油基表面活性剂—打造涂料色浆新体系

北大刘海超课题组ACS Catal | 室温下Pt催化剂选择性氢解糠胺制备5-氨基-1-戊醇

Angew. Chem. | 水热条件下实现废旧PET/PE多层塑料薄膜的同步材料和化学回收

CEJ | 钨基催化剂精准调控及甘油氢解性能研究：河南理工大学张玉龙/翁育靖课题组最新报道

中南林吴义强院士/万才超教授Collagen and Leather封面文章 | 纳米纤维素基重组材料在废水处理中的应用

青岛大学惠彬团队Green Chem | (B,P,Co,Fe)-Ni修饰的纳米木电极促进海水尿素电氧化

人大牟天成/北林大薛智敏团队Green Chem | 绿色低共熔溶剂的材料制备应用综述

每周文献精选

东北林大于海鹏团队Green Chem | 溶剂影响碳水化物转化的化学路径调控角度解析

陕科大王学川教授/党旭岗副教授 Food Chem | 工程化生态友好型多功能食品包装

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