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　　随着绿色化工和可持续发展的需求日益迫切，生物质资源的高效利用成为全球关注的焦点。生物质不仅能够转化为重要的平台化合物（如5-羟甲基糠醛和乙二醇），其高效转化对构建绿色化工具有重要意义，可以制备具有广泛应用潜力的生物基材料，如生物基炭材料。生物基炭材料以其来源可再生、结构可调控及功能多样性，广泛应用于储能、催化和环境修复等领域，为实现资源高效利用提供了重要契机。

　　材料学院张亚刚教授团队聚焦基于功能导向的分子识别与组装的化工新材料设计，近期在生物基新型功能材料领域连续取得高水平研究成果。团队总结剖析了生物基炭材料领域的关键核心问题，探索生物基炭材料（BCMs）的制备与应用，通过调控炭材料的微观结构和表面特性，显著提升其在储能和催化领域的性能。这些研究为推动生物质资源向功能材料的高值化利用提供了科学依据和技术支撑。通过构建先进催化体系，实现了5-羟甲基糠醛（HMF）高选择性氧化，制备出重要化学品2,5-呋喃二甲酸（FDCA），为生物基功能材料提供了关键原料。与此同时，团队提出了废弃塑料回收利用与生物质协同转化的思路，设计了高活性催化剂，成功将乙二醇高效氧化为高附加值化学品乙醇酸。

　　生物质平台化学品的催化转化是利用可再生生物质资源的重要途径之一。其中，5-羟甲基糠醛（HMF）通过电催化氧化法制备的2,5-呋喃二羧酸（FDCA），具有替代对苯二甲酸（PTA）合成高性能高分子材料的潜力，有助于在温和条件下可实现生物质的高效转化。张亚刚教授团队就电催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸进行了系统地总结和分析。首先讨论了5-羟甲基糠醛的氧化路径及反应机理,剖析了HMF氧化催化剂的设计策略并分析了构效关系。其次讨论了一系列有利于降低电解系统电压的阴极配对耦合反应，同时从反应机理、耦合反应、反应器设计和下游产物分离纯化等方面阐述了5-羟甲基糠醛电化学氧化制备2,5-呋喃二羧酸所面临的挑战和前景（SusMat. 2023; 3: 21-43.https://doi.org/10.1002/sus2.109）。

图1.电催化氧化5-羟甲基糠醛生产2,5-呋喃二羧酸——从机理到催化剂设计

　　团队就生物基炭材料的制备方法、理化性质和影响因素方面入手，根据制备前后原料和产物的微观结构，从分子水平深入剖析了BCMs力学性能差的根本原因，并详细探讨了BCMs性能调控的改性方法。总结了BCMs在能源和催化应用方面的最新进展，包括产氢和储氢材料、直接炭燃料电池、微生物燃料电池、超级电容器、焦油重整催化剂等。最后，概述了BCMs的未来趋势和前景，为推动BCMs的进一步工业化应用提出了思路和方向（Electrochemical Energy Reviews2024, 7, 26,1-38https://doi.org/10.1007/s41918-024-00223-y）。

图2.生物质前驱体衍生的纳米多孔碳材料：能源转换和储存的可持续材料

　　电解水制氢是获取高能量密度氢能最具潜力的途径之一。然而，阳极上的析氧半反应（OER）动力学相对缓慢，高过电位造成该过程能量消耗高。将阳极上的OER与重要的生物基平台化合物结合，替换为热力学上更有利的小分子氧化反应（如5-羟甲基糠醛，HMF），并与阴极析氢反应（HER）耦合，既能实现节能制氢，又能同时获得高附加值产品。团队针对催化反应主要发生在催化剂的表面/界面上的特点，开发了由掺杂预催化剂通过高效原位生成富表面空位的VMo-NiOxHy催化剂，加速活性物质（Ni3+–O）的形成。研究阐明了化学组成、结构和性能之间的本质联系，评估了阳离子空位对促进基于多种醇和糠醛底物的电化学生物质催化转化性能（Applied Catalysis B: Environment and Energy.2024, 347, 123785.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123785）。

图3.阳离子空位介导的高效催化剂促进生物质平台化合物高附加值转化

　　此外，对于HMF氧化反应，无论是传统的间接氧化还是电位依赖氧化机制，均需要有机分子和OH−两种物质同时参与。然而由于有限的吸附位点，这两种底物会在催化剂表面发生竞争吸附，为此团队开发了基于级联策略方法，通过Ni掺杂和Pd负载的级联调控实现了OH−和HMF的竞争吸附平衡，促进了HMF在Pd-NiCo2O4催化剂上的直接和间接氧化过程。并系统评估了Ni掺杂和Pd负载对促进基于多种醇和糠醛底物的及杂化偶联反应的电化学生物质催化转化性能（Nano-Micro Letters.2024, 16:275https://doi.org/10.1007/s40820-024-01493-3）。

图4.级联结构增强5-羟甲基糠醛电催化氧化用于高效生物质转化升级

　　石油基聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料的大量生产和使用，使得PET的回收利用问题得到大家的关注，电化学重整PET在碱性水溶液中的催化水解和随后的乙二醇（EG）的电催化氧化升级都是潜在的有效途径。而乙二醇不仅是重要的工业原料，更可以通过生物质平台化合物（如纤维素、木质素衍生物）的转化获得，为乙醇酸的绿色生产提供了低碳、可持续的来源。以可再生电能为驱动的偶联催化乙二醇氧化反应（EGOR）技术，为实现废塑料的高价值转化，在选择性合成高附加值化学品如乙醇酸（GA）的同时协同生产绿色氢提供了一条有潜力的绿色新途径。

图5.高活性氧化钴-钯纳米杂化催化剂用于电催化乙二醇氧化选择性合成乙醇酸

　　基于此，团队构建了一种高活性钴氧化物-钯纳米杂化电催化剂（Pd-Co₃O₄/NF），在超低电位（0.9 V vs. RHE）下实现了乙二醇的高效氧化，选择性合成乙醇酸，法拉第效率高达93.1%。研究发现Pd和Co3O4分别扮演着主要活性位点和削弱活性位点被CO毒化的重要角色，从而抑制了乙醇酸的过度氧化并大幅提升选择性和效率。该催化剂在废PET衍生乙二醇的电重整中表现优异，不仅在阳极高效生成乙醇酸，同时在阴极同步产生绿氢。这一技术为废塑料和生物质的高价值转化提供了绿色途径，推动了资源回收和可持续化学品生产的未来发展（Chemical Engineering Journal2024, 502, 157962https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157962）。