木質素是木質纖維素生物質中含量最高的芳香族聚合物，具有由C-C/C-O鍵連接的類苯丙基單元，其中芳醚鍵的比例高達50-85%，因此，通過C-O鍵裂解進行木質素的解聚引起了人們的較多關注，該方法也為從天然生物質資源中獲得高附加值化學品提供了一種有效途徑。近幾十年來，已經發展出多種不同的催化轉化方法來實現木質素的解聚，包括加氫裂解、氧化裂解和非氧化還原裂解。然而，由于木質素結構復雜，且具有多種轉化路徑，實現C-O（β-O-4）鍵的高效和高選擇性裂解仍然是一個巨大挑戰。此外，在眾多芳香族單體產物中，具有Cα=Cβ側鏈的單體更利于后續的功能化利用，因而更有價值，然而，解聚過程中形成的不飽和C=C鍵在傳統催化劑和高溫高壓環境下具有較高的加氫、氧化或者縮合活性，從而難以保留。因此，開發一種高效的非貴金屬催化劑，在惰性氣氛下高效生產側鏈不飽和單體仍面臨挑戰。近年來，單原子催化劑（SACs）由于具有接近100%的金屬原子利用率和獨特的電子結構，對多種多相反應表現出優異的催化活性。單原子催化的概念也為木質素分解高效催化劑的設計開發提供了巨大的機會。此外，據報道，Lewis酸性位點可以促進木質素解聚效率，然而其催化或助催化機制仍不明確。因此設計一種同時包含單原子金屬位點和Lewis酸性位點的多功能催化劑來協同催化木質素解聚以實現高活性和高芳香單體選擇性是一種有效策略。
基于以上分析， 溫州大學孟格博士與清華大學王定勝教授、吳玉龍教授以及華南理工大學岳鳳霞教授課題組合作，通過基于層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）的陰離子插層和二維（2D）限域策略設計合成了一種以MgO為載體且同時負載Mo單原子和Al Lewis酸性位點的多功能催化劑（Mo1Al/MgO），并將其應用在N2氣氛下的桉木木質素解聚反應當中。Mo1Al/MgO催化劑對松柏醇γ甲醚和芥子醇γ甲醚的選擇性達到92%，同時具有良好的循環穩定性。密度泛函理論（DFT）計算和對照實驗進一步表明，在甲醇參與條件下，Mo1-O5單原子中心與鄰近的Al Lewis酸位點的協同催化作用使側鏈不飽和單體產物的產率和選擇性大幅提高。該研究將單原子和Lewis酸位點結合起來，在更安全和更低成本的生物質催化體系中獲得高附加值產品，并為生物質煉制工業的催化劑設計提供了一定的理論指導。這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.3c04028)，孟格博士為第一作者，溫州大學為第一完成單位，岳鳳霞、吳玉龍、王定勝為共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c04028
