中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物能源研究部王峰研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)馬丁教授合作，發(fā)展并報(bào)道了生物質(zhì)發(fā)酵液的轉(zhuǎn)化的新策略，實(shí)現(xiàn)ABE溶液（丙酮-丁醇-乙醇-水）的高效率、高選擇性制備化學(xué)品4-庚酮，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
 

圖片來源：視覺中國
 

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物能源研究部王峰研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)馬丁教授合作，發(fā)展并報(bào)道了生物質(zhì)發(fā)酵液的轉(zhuǎn)化的新策略，實(shí)現(xiàn)ABE溶液（丙酮-丁醇-乙醇-水）的高效率、高選擇性制備化學(xué)品4-庚酮，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
是不是覺得“每個(gè)字都認(rèn)識(shí)但就是看不懂”？大院er這就來告訴你這個(gè)研究厲害在哪里~~

生物質(zhì)：第四大能源

生物質(zhì)是一切有生命的并且可以生長的有機(jī)物質(zhì)的統(tǒng)稱，包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物，具有可再生性、低污染性、廣泛分布性的特點(diǎn)，可以說是“取之不盡的的資源寶庫”。

試想一下，豐收時(shí)堆積如山的秸稈，再也不用因?yàn)榉贌a(chǎn)生污染而成為人們心頭揮之不去的陰影，搖身一變成為生產(chǎn)清潔能源的“金疙瘩”，這是多么讓人期待的景象啊~~
 

圖片來源：視覺中國
 

目前生物質(zhì)能源已成為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的14%。在發(fā)展中國家則更為突出，生物質(zhì)能占總能耗的35%。利用現(xiàn)代新技術(shù)將生物質(zhì)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)于我國能源結(jié)構(gòu)改革，建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

生物質(zhì)的利用 還得過這個(gè)難關(guān)

ABE發(fā)酵液就是生物質(zhì)能源的一種。它是以淀粉或者纖維素為原料，經(jīng)過丙酮丁醇梭菌發(fā)酵得到的丙酮、丁醇、乙醇和水的混合溶液。不要小瞧這些低碳的化合物，它們可都是生活中燃料和化學(xué)品的重要來源之一。

而且ABE發(fā)酵液可以說是具有豐富的原料基礎(chǔ)，發(fā)酵菌丙酮丁醇梭菌廣泛分布于土壤和谷物等種子表面，而淀粉和纖維素就更不用說了，農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)廢料就可以提供大量的淀粉和纖維素。

ABE發(fā)酵液雖然很有用，但一般含有大量的水，濃度很低，需要經(jīng)過氣提、膜分離等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行提純，不過這些過程不可避免的帶來高能耗等問題，很大程度限制了其廣泛應(yīng)用。因此，ABE溶液利用方式是：不經(jīng)過提純或是僅經(jīng)過簡單的濃縮而直接轉(zhuǎn)化，制備燃料或化學(xué)品，但是這可是塊“硬骨頭”。

近幾年，國內(nèi)外在無水ABE制備燃料方面也取得了一定的進(jìn)展。但對(duì)于ABE發(fā)酵液制備化學(xué)品仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，原因在于：乙醇、丙酮和丁醇（C2、C3、C4） 等小分子性質(zhì)較為活潑，相互之間很容易進(jìn)行反應(yīng)，得到成分復(fù)雜的混合物，碳數(shù)可能從C5~C11，甚至更高。要想獲得我們心目中的那個(gè)“唯一”產(chǎn)物，太難了！
 

圖片來源：大連化物所科學(xué)傳播處
 

無心插柳柳成蔭：偶然出現(xiàn)的“唯一”

大連化物所王峰研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)有多個(gè)研究方向，其中一個(gè)是缺陷金屬氧化物催化劑酸堿催化有機(jī)反應(yīng)，例如氧化鈰催化劑用于催化小分子轉(zhuǎn)化成為大分子；另外一個(gè)研究方向是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，例如用農(nóng)業(yè)廢料，如秸稈呀，木屑呀制備有用的化學(xué)品。

本來兩個(gè)方向各自為戰(zhàn)，沒有交集，但是突然有一天，王峰瞄上了二氧化鈰這種物質(zhì)。二氧化鈰為可還原氧化物，鈰具有三價(jià)和四價(jià)兩種價(jià)態(tài)，氧氣充足下，鈰為四價(jià)；但是氧氣不足時(shí)，氧就會(huì)走掉，形成氧缺陷位點(diǎn)，同時(shí)伴隨鈰從四價(jià)變?yōu)槿齼r(jià)，這種氧缺陷位點(diǎn)通常在化學(xué)反應(yīng)中扮演活性中心的角色。當(dāng)二氧化鈰遇上生物質(zhì)會(huì)怎樣呢？于是乎，他便從氧化型催化劑隊(duì)伍里選出一位全能代表：錫摻雜的二氧化鈰；再從生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中選出一個(gè)復(fù)雜體系：三組分（乙醇、丙酮、丁醇混合）的ABE水溶液。

本預(yù)想這會(huì)是一場(chǎng)復(fù)雜的“對(duì)抗”，沒想到卻成就了“一見鐘情“，它倆的混合物居然高效地、高選擇性地制備出了4-庚酮！

4-庚酮本身可作為香料或食品添加劑，同時(shí)又是非常重要的中間體，可以通過進(jìn)一步加氫、縮合等化學(xué)反應(yīng)過程獲取更高渡價(jià)值的產(chǎn)品，用作精細(xì)化學(xué)品、油品（如航空燃油）、化學(xué)溶劑等。

化學(xué)的世界，妙不可言！

當(dāng)二氧化鈰遇上生物質(zhì)

下面就讓我們來看看這個(gè)神奇的ABE發(fā)酵液催化轉(zhuǎn)化體系吧
 

圖片來源：大連化物所科學(xué)傳播處

“條條大路通羅馬”

王峰研究員團(tuán)隊(duì)采用錫摻雜的二氧化鈰為催化劑，可實(shí)現(xiàn)原料和產(chǎn)品“水油分離”，僅通過傾倒和簡單的蒸餾，即可獲得95%純度的4-庚酮，實(shí)現(xiàn)了單一化學(xué)品的高選擇性制備，選擇性高達(dá)86%。

該催化反應(yīng)體系中，ABE（乙醇、丙酮、丁醇）溶液雖然經(jīng)過不同的反應(yīng)路徑和中間產(chǎn)物，但卻最終單一的選擇性生成了同一種產(chǎn)物4-庚酮。也就是說雖然走了不同的“道路”，但是都達(dá)到了同一個(gè)“羅馬”。
 

圖片來源：大連化物所科學(xué)傳播處
 

“五項(xiàng)全能選手”

在該ABE的催化轉(zhuǎn)化過程中，錫摻雜的二氧化鈰催化體系，可以同時(shí)協(xié)同催化水參與的酮基化反應(yīng)、醇脫氫反應(yīng)、格爾伯特反應(yīng)、縮合反應(yīng)以及酯化反應(yīng)五種反應(yīng)，可謂是個(gè)“全能王”了。
 

圖片來源：大連化物所科學(xué)傳播處

“化腐為奇”

已報(bào)道的ABE催化轉(zhuǎn)化體系中，水均被認(rèn)為是“腐”物，會(huì)造成催化劑中毒，但王峰研究員團(tuán)隊(duì)的研究中，水不但不會(huì)引起催化劑中毒，反而會(huì)參與反應(yīng)，促使目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性生成。

結(jié)語

該方法以生物質(zhì)發(fā)酵液為原料，突破ABE催化轉(zhuǎn)化現(xiàn)有技術(shù)選擇性差的缺點(diǎn)，在固相鈰基催化劑上，實(shí)現(xiàn)高選擇性制備單一化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)了ABE水溶液的直接催化轉(zhuǎn)化，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到~70%。該過程原料來源廣泛，催化劑易得，既具有科學(xué)研究意義，又具有工業(yè)應(yīng)用前景。

接下來該團(tuán)隊(duì)將基于現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備高性能催化體系，積極向工業(yè)應(yīng)用邁進(jìn)！


來源：新浪科技