• 作者简介

通讯作者 李宁 研究员

博士，研究员，博士生导师。本科与硕士毕业于吉林大学，2000年获物理化学专业理学硕士学位；博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，2004年获得工业催化专业博士学位。毕业后先后在法国里昂催化与环境研究所、美国马萨诸塞大学做了5年的博士后。在法留学期间，荣获玛丽居里奖学金。2010年作为大连化学物理研究所引进人才入所工作至今，2015年晋升为研究员。研究方向：(1) 木质纤维素基可持续航空燃料及特种生物航油的催化合成；(2) 木质纤维素平台化合物合成多元羧酸类能源化学品。迄今为止，已在 Joule、Chemical Reviews、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、AIChE Journal、ACS Catalysis、Applied Catalysis B: Environmental 等学术期刊上发表论文100余篇，申请发明专利50余项，授权40余项。

王伟 副教授

副教授，硕士研究生导师，主要从事生物质催化转化制取生物质液体燃料和化学品。主持或参与省级和厅局级课题10项，获山西省科学技术奖技术发明类三等奖1项，2013-F-3-001。获第八届“匠心筑梦 领航未来”全国高校教师技能创新大赛获奖 (2026年)，二等奖。申请国家发明专利10项，授权6项。在 Journal of Energy Chemistry、Green Chemistry 和 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 等国际国内期刊上发表论文50余篇。担任国际期刊Catalysts 的客座主编。

• 研究背景

4-羟基环戊-2-烯酮 (HCP) 是一种结构独特、反应活性高的有机化合物，是许多反应中的重要中间体，广泛用于合成环状化合物、生物活性分子和药物前体。因此，HCP的合成是有机化学研究的热点。不幸的是，HCP的产量非常有限，在室温下容易自聚集。它非常不稳定，远不能满足各个领域的应用要求。因此，探索使用散装化学品作为原料，通过绿色和可再生的工艺路线生产HCP具有重要意义。

针对上述挑战，中国科学院大连化物所李宁研究员与陕西理工大学王伟副教授课题组于Catalysts 发表题为“ZnAl-hydrotalcite-catalyzed aqueous-phase rearrangement of furfuryl alcohol to 4-hydroxycyclopent-2-enone”研究论文，该研究制备了一系列ZnAl基水滑石 (HT) 催化剂，通过简单调控锌铝比、煅烧温度、时间等实现了糠醇的转化率达到100%，HCP的收率达到92.5%，为HCP的高产率合成提供思路。

• 催化剂制备与表征

本研究采用共沉淀法，在恒定pH=10条件下制备ZnAl水滑石前驱体，经老化、洗涤、干燥及500 ℃煅烧获得目标催化剂。ICP-OES测试证明催化剂实际金属配比与理论1:1比例相符。物化表征结果表明，最优ZnAl-HT-1:1-500 °C催化剂拥有较大比表面积与孔容，传质性能优异，同时具备均衡适中的酸碱位点分布。该催化剂呈均匀非晶结构，无ZnO相偏析，表面仅存在单一Zn²⁺、Al³⁺价态，化学性质稳定。微观形貌呈现疏松多孔的薄层交织结构，可为反应提供充足活性位点，而不合理的金属配比与煅烧温度会造成酸碱位点失衡、晶体析出及结构烧结坍塌，恶化催化性能。

图1. ZnAl基催化剂的CO_2-TPD曲线。

图2. ZnAl基催化剂的NH_3-TPD曲线。

图3.ZnAl基催化剂的XRD图谱。

图4. ZnAl-HT-1:1-500 °C (a)、ZnCo-HT-1:1-500 °C (b) 和ZnNi-HT-1:1-500 °C (C) 催化剂的XPS谱。

图5. 在不同温度下煅烧的ZnAl基催化剂的SEM图像：(a) ZnAl-HT-1:1-300 °C、(b) ZnAl-HT 1:1-400 °C、(c) ZnAl-HT-1:1-500 °C和(d) ZnAl-HT-1:1-600 °C。

• 催化性能测试及反应机理

以纯水为溶剂开展糠醇重排反应，HPLC与GC‑MS表征证实体系可高选择性生成HCP且无明显副产物。不同固体碱催化剂均具有较高糠醇转化率，但ZnAl-HT催化性能最优。1:1锌铝配比可构建均衡酸碱位点，过高锌含量会破坏酸碱协同作用；煅烧温度对性能呈火山型规律，500 ℃为最优条件。基于最优催化剂进一步工艺优化表明，5 mg催化剂用量、205 ℃反应温度可获得最高HCP收率。低底物浓度可有效抑制糠醇聚合副反应，5%糠醇溶液可实现完全转化，HCP收率可达92.5%。

图6. 不同催化剂和制备条件下糠醇的转化率 (黑棒) 和4-羟基环戊-2-烯酮的收率 (白棒)

图7. 反应参数对糠醇转化率 (黑棒) 和4-羟基环戊-2-烯酮收率 (白棒)

如图8所示，FAL向HCP的水相重排是由酸催化的呋喃环质子化、水的亲核攻击和开环引发的，类似于经典的Piancatelli重排。同时，碱性位点也抑制了树脂化和水解为乙酰丙酸等副反应。与这一机制一致，ZnAl HT具有平衡的酸碱分布和最佳的多孔层状结构，而ZnNi HT的酸碱双官能性不足，ZnCo HT主要表现出促进副反应的强碱性/酸性位点。由于缺乏水滑石衍生的双功能协同作用和水热条件下的结构稳定性，简单氧化物 (CaO、ZnO) 的表现也不佳。

图8. FAL重排为HCP的拟议机制，改编自Piancatelli重排。

• 总结展望

本研究制备水滑石衍生锌基催化剂，用于糠醇水相重排制备4-羟基环戊-2-烯酮 (HCP)。筛选结果表明，500 ℃煅烧的ZnAl-HT-1:1催化剂性能最优，在205 ℃，5 wt.%糠醇水溶液的温和条件下，HCP收率可达92.5%。其优异催化性能源于较大比表面积、发达孔结构与均衡酸碱双活性位点的协同作用，可高效活化底物并抑制糠醇聚合副反应。该催化剂具备制备简便、成本低廉、适用性广的优势。本研究聚焦酸碱催化机制，尚未拓展底物适用范围，后续将提升底物浓度、拓宽反应体系并开展长效稳定性测试，推动该工艺工业化应用。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2073-4344/16/7/634 

• 特刊推荐

以下为中国科学院大连化物所李宁研究员与陕西理工大学王伟副教授在Catalysts 期刊主持特刊，欢迎广大科研工作者投稿！

Advances in Catalysis Science and Technology for Sustainable Development

https://www.mdpi.com/si/270681

• Catalysts  期刊介绍

主编：Keith Hohn, Kansas State University, USA

期刊主要关注催化反应、催化剂制备及应用领域的最新研究成果。开设催化材料、环境催化、光催化、电催化、纳米结构催化、有机和聚合物催化、生物催化、生物质催化、计算催化等13个栏目。目前已被SCIE (Web of Science)、Scopus、Ei Compendex、CAPlus/SciFinder等数据库收录。

2025 Impact Factor：4.5

2025 CiteScore：8.3

Time to First Decision：13.3 Days

Acceptance to Publication：4.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/catalysts

支持单位：