第
一作者和单位：
郑燕梅
（南京林业大学），
张迎华
（东南大学）
通讯作者和单位：
陈祖鹏
（南京林业大学），
郭新立
（东南大学）
原文链接：
https://doi.org/10.1002/cssc.202400472
关键词
：
H
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O
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production, Biomass Valorization, Photocatalysis, Electrocatalysis, Photoelectrocatalysis
过氧化氢（H
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）是一种重要的能量载体（燃料）和氧化剂；
生物质增值可以以绿色、无污染的方式产生高附加值产品，从而解决能源和环境危机。通过光催化、电催化和光电催化等方法将生物质资源化与 H
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合成相结合，对实现可持续发展目标具有积极作用，可最大限度地提高能源利用率，实现高附加值产品的生产和燃料合成。近来，关于H
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合成耦合生物质增值的催化剂设计和机理研究正处于起步阶段。在此，
南京林业大学陈祖鹏课题组联合东南大学郭新立团队
首次综述了
光催化、电催化和光电催化技术在 H
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生成、生物质增值以及 H
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生成与生物质增值耦合方面的研究进展与反应机理。最后，展望了 H
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合成与生物质增值耦合系统在实现高转化率、高选择性和高反应效率方面的前景和挑战。
H
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不仅是一种高价值的绿色氧化剂，也是一种新兴的清洁液体燃料，广泛应用于生物医学、化学合成、环境治理等领域。目前，蒽醌氧化（AQ）法是工业上生产H
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的主要方法。然而，AQ工艺需要大量的能量输入、贵金属催化剂、加压氢气（H
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）和有机溶剂，这不利于可持续发展。因此，开发更高效、更环保的H
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生产方法以满足日益增长的需求是迫切的。在此，仅以水和氧气为原料，通过光催化、电催化和光电催化合成H
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引起了全世界的广泛关注。在三种催化技术中，H
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生成过程涉及两个至关重要的半反应：氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）。由于2e
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WOR的动力学缓慢，催化过程中产生的氧化物质无法充分利用，从而降低了反应效率。为了解决WOR的挑战性问题，已经开发了基于醇（如甲醇、乙醇、异丙醇-苯甲醇等）的牺牲剂氧化法来取代WOR。然而，牺牲剂氧化法仍然面临一些不足：i）增加了产物纯化和机理研究的难度；ⅱ）由于通过ORR的单一生成途径而减少牺牲剂氧化的总能量利用；ⅲ）低值转化（高值的醇类牺牲剂转化为低值的醛或酸）。因此，有必要将更具吸引力的氧化反应与ORR相结合，以准确设计用于生产高价值产品和H
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的稳健耦合催化体系，并最大限度地提高总能量利用效率。
生物质高值化在解决能源和环境危机方面发挥着积极作用，可以以绿色无污染的方式生产高附加值产品。另一方面，生物能源是世界上最大的可再生能源，占可再生能源的55%。同时，全球大量但未被充分利用的生物质及其衍生物可以转化为生物燃料和高价值化学品，如醛类、酮类、酸类和其他用于制药、工业等领域的化学中间体，这可以更彻底地提高可再生能源的利用。因此，使用可再生能源（太阳能或电能）进行生物质转化并同时产生H
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是一种温和、绿色的方法，可以实现生物质催化增值为高附加值产品，以满足潜在的可持续目标。将H
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合成与高附加值生物质或其衍生物相结合，可以充分利用催化过程产生的电荷载体，提高反应的整体效率，这是未来实现能源转化和碳中和领域的一个有前景的方向。
因此，本文主要综述了光催化、电催化和光电催化技术在 H
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合成、生物质增值以及 H
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合成耦合生物质氧化增值方面的研究进展与反应机理。
图文精读
通过光催化、电催化和光电催化技术生产 H
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并将其与生物质增值相结合，对实现可持续发展目标具有积极作用，不仅能最大限度地利用能源，还能实现增值产品的生产和燃料合成。
Figure 1.
(a)Scheme of the syntheses of Cu
3
-BT-COF, Cu
3
-pT-COF, and TFP-BT-COF. (b) The photocatalytic activity of TFP-BT-COF, Cu
3
-pT-COF, and Cu
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-BT-COF for H
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photosynthesis in 4 h. (c) Cu
3
-pT-COF, TFP-BT-COF, and Cu
3
-BT-COF photocatalytic activity for FFA
photooxidation. (d) Differential charge density photograph of Cu
3
-BT-COF. (e) The absorption energy of Cu, and BT units in Cu
3
-BT-COF for FAL oxidation and O
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reduction. (f) The proposed mechanism of photocatalytic FFA oxidation coupling with H
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production with the existence of O
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on TBO40 surface by Cu
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-BT-COF (the circled area indicating the complementary processes of H
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photosynthesis and FFA photo-oxidation) (R = furan ring).
H
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合成耦合生物质氧化增值是提高能源效率和碳中和的一种很有前途的方法。这种方法有可能在制药和化学工业中提供高价值的中间体。尽管用于
H
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合成的传统AQ方法可以在工业上生产，但它不满足环境友好的要求，因为它涉及爆炸性气体H
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且产生污染废物。另一方面，传统的生物质氧化主要使用热催化过程，但它们需要苛刻的条件，如高温、高氧气压力或有毒氧化剂。因此，利用可再生、资源丰富和高效反应的无害合成路线取代传统
H
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生产过程中的苛刻条件，对改善能源和环境问题具有重大意义。目前，已有报道关于
H
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合成耦合生物质及其衍生物氧化增值的研究，包括催化剂类型、催化剂亲水性、反应条件、反应物种、反应活性位点和反应机理。此外，生物质及其衍生物在耦合系统中的增值氧化也存在许多需要进一步研究的问题。例如，在催化剂表面的氧化过程中，活性中间体从生物质中的吸附和解吸需要进一步改进，以促进后续产生所需的增值产品。其次，对催化剂氧化还原能力的不准确调节导致生物质衍生物的过度氧化或氧化不足，导致低效和不期望的产物。同时，催化剂没有暴露的催化位点，不利于底物吸附和传质，增加了研究机理的难度。最后，由于宽的带隙，光反应性只能在紫外光的存在下被激发。最后，关于这方面的研究仍然不足，仍然需要长期思考和研究。
陈祖鹏
，教授，博士生导师，南京林业大学化工学院林产化工系主任（国家级重点学科，双一流A+建设学科）。目前主要从事多相催化剂设计开发和生物质定向催化转化的应用基础研究工作。曾获得德国马普学会博士生奖学金、德国洪堡学者、江苏省特聘教授。已在 Nature Nanotechnology, Nature Communications, Chemical Reviews, National Science Review, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chinese Journal of Catalysis, ACS Catalysis, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Science, Applied Catalysis B等国际 SCI 论文 100 篇，封面文章 14 篇，ESI 高被引论文13篇。其中第一作者或通讯作者 49 篇，论文被引>8000（H-index 38）。担任中科院一区期刊J. Energy Chem.、Chin. Chem. Lett.、Rare Metals等9个学术期刊编委或青年编委。研究工作得到专业期刊或新闻媒体广泛报道如，Nature, Nature Catalysis, ETH News, 美国化学会Chemical & Engineering News、美国科学促进会EurekAlert、科学网、南京日版、金陵晚报、中国江苏网等。
结合个人研究背景和南京林业大学的研究特色，课题组的研究内容将集中于：
•生物质催化转化：木质素选择转化、生物质能源与化学品高值化、生物质碳的制备与利用
因课题发展需要，南京林业大学陈祖鹏课题组现诚招副教授、博士后、博士、硕士，欢迎具有化学、化工、材料背景，对纳米材料、多相催化、生物质催化转化、光（电）催化感兴趣的有志之士加入研究团队。
课题组链接：
https://www.x-mol.com/gr
oups/Chen_Zupeng
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群；C1化学/生物质/单原子/多孔材料分舵）
，小编微信：hao-xinghua或alicezhaovip，备注“姓名-单位”
