基于农林生物质能开发的协同催化研究
农林生物质是一种存量巨大、廉价易得的可再生资源，将其定向转化为高附加值化学品和生物燃料是高值化利用生物质能、实现可持续发展的重要途径。由于生物质组成和分子结构的复杂性，传统催化工艺和功能催化材料无法满足生物质整合级联转化的要求，带来了反应中副产物多、目标产物选择性难以调控等难题。对此，我们围绕农林生物质多步级联转化过程开发了一系列协同催化转化策略，实现了生物质基高附加值产品的高效定向合成。主要科学发现为：
构建运用新型酸-碱双功能材料协同催化生物质基化合物高值转化
探讨了催化剂酸碱位点在协同催化中的关键作用，以及酸碱位点的比例对反应活性和选择性的影响。该研究结果受到了国内外研究者广泛关注，应邀在本领域重要刊物Progress in Energy and Combustion Science（IF: 29.394）上发表综述，系统阐述了双功能催化材料在一锅、多步催化生物质转化为生物燃料和相关化学品中的研究进展，提出了固体材料的双功能活性位点（包括Brønsted-Lewis 酸位点、酸-碱位点、金属-酸或碱位点等）在催化反应过程中对产物种类、选择性、产率等的调控作用。针对协同催化体系，阐明了可能的反应机理，并深入分析了反应介质、固体材料的形貌结构等对催化性能的影响。采用简便、无模板剂方法制备出一系列酸-碱含氮有机膦酸-金属双功能纳米杂化材料（MPN；ACS Catalysis, IF: 13.084），可高效催化分子间和分子内的氢转移反应分别促进生物质基醛酮定量生成相应的醇、葡萄糖异构化为果糖，并可用于其他类似的木质纤维素衍生物升级转化。
2. 新型 Brønsted -Lewis 酸双功能杂化材料制备及其协同催化生物质能开发
以生物质基 2,5-呋喃二羧酸（FDCA）和铪（Hf）为原料，在无模板剂条件下经过简单热液组装制备出一种新型的多孔双功能杂化材料（FDCA-Hf；Applied Catalysis B: Environmental, IF: 19.503）。该材料同时具备 Brønsted 酸和 Lewis 酸/碱等活性位点，在温和的条件下对生物质基乙酰丙酸乙酯（EL）经Meerwein-Ponndorf-Verley（MPV）还原、关环转化为 GVL 的级联反应表现出高效的协同催化活性（产率可达 95-100%）。机理研究表明反应过程中 Lewis 酸/碱位点首先辅助形成氢化物；同时，结构缺陷产生的 Brønsted 酸和Lewis 酸协同锚定和活化 EL生成有利于加氢转移的物种，这种协同作用是高催化性能的主要原因之一。该双功能催化材料由于坚固的金属有机框架而表现出良好的化学与热稳定性，可经重复使用多次后仍没有明显的活性衰减。
系统地阐明了生物质基分子脱水的溶剂化效应，其协同催化机制可调控反应活性并显著简化复杂生物质分子高值转化过程（Nature Catalysis, IF: 41.813）。不同羟基数的分子在水-有机相中的脱水过程表明反应活性被混合溶剂的焓所控制；另外，中间活性配合物的相对稳定性、溶剂化的质子转移以及反应物（醇）质子化过程均是影响脱水反应速率的关键因素。DMSO 和 γ-戊内酯（GVL）分别与水混合在糖脱水反应中表现出显著的差异，主要源于前者形成的有机水团簇增加了质子转移的能垒。值得注意的是，在 90% wt% GVL 浓度下，所产生溶剂效应可稳定富含-OH 的生物质基分子形成的碳离子过渡态，从而进一步降低GVL 分子包覆水域的表观活化能垒。因此，具有不阻碍质子转移和促进过渡态稳定的溶剂效应为后续进一步协同催化开发生物质能提供了重要思路。
4. 疏水“封装”金属纳米颗粒功能材料高效协同催化生物质转化为呋喃燃料
以多种生物质糖类及其衍生物为原料合成 2,5-二甲基呋喃（DMF）生物燃料往往需要多步 转化和分离提纯的过程，申报人针对性地设计和制备了疏水性的功能材料 Pd/MIL-53(Al)-P 直接高效地生产液态呋喃/芳香烃。该材料中贵金属位点 Pd 在加氢脱氧过程中与疏水性表面 表现出较好的协同作用（Applied Catalysis B: Environmental, IF: 19.503）。在相对温和的条件下（低至室温），实现从生物质糖类及其衍生物到 2,5-二甲基呋喃的一锅转化（多步级联反应），产率可达 95%。特别地，进一步将这种疏水封装作用引入到磁性多孔酸性杂化材料上， 也可以高效催化高酸值、高水量的非粮油脂-千金子（本组首次发现）转化为生物柴油 （Applied Energy，IF:9.746)。疏水调控修饰不仅有效促进了表面协同催化作用，同时显著提高了功能催化材料的稳定性。