英文原题：Electrochemical conversion of biomass derivatives to value-added chemicals: a review

作者：Yusrin Ramli, Virdi Chaerusani, Ziyuan Yang, Rui Yang, Juan Zhang, Abuliti Abudula, Guoqing Guan*

01 论文信息

论文信息

Ramli Y, Chaerusani V, Yang Z, et al. Electrochemical conversion of biomass derivatives to value-added chemicals: a review[J]. Green Carbon, 2024.

论文关键词

Biomass derivates；Catalysts；Electro-oxidation；Electroreduction；High-value-added biomass-based chemicals

论文网址

http://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.10.004

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Electrochemical conversion of biomass derivatives to value-added chemicals: a review

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 日本弘前大学官国清教授：生物质衍生物转化为增值化学品的电化学研究进展

02 背景简介

近年来，随着全球对可持续发展的关注不断加深，从化石资源向生物基资源的转变成为研究热点。其中，通过各种催化方法将生物质衍生物转化为高附加值基础化学品备受关注。在众多技术中，电化学转化因能够将生物质这一可再生资源与可再生能源结合利用，展现出独特的优势。作为典型的潜力化合物，5-羟甲基糠醛（HMF）、甲醇和糖类已在实验室规模上被广泛研究，并通过电化学转化生成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、2,5-二（羟甲基）呋喃、甲酸、葡萄糖酸和木糖醇等高附加值产品。这些研究不仅展示了电化学转化技术在提升资源利用率和生产绿色化学品方面的巨大潜力，也为实现可持续化学工业提供了重要的技术路径和理论基础。

日本国立弘前大学的官国清教授课题组于Green Carbon上发表了标题为“Electrochemical conversion of biomass derivatives to value-added chemicals: a review”的文章。重点综述了生物质衍生物的电化学转化最新进展，分析了电催化剂活性和产物选择性，并讨论了在减少副反应和降低分离纯化难度方面的挑战。本文旨在为推动生物质衍生物电化学转化领域的进一步发展提供参考和启示。

03 文章简介

化学品和能源需求的快速增长突显了开发可持续解决方案的紧迫性。作为一种富含碳、氢和氧的可再生资源，生物质被视为化石燃料的理想替代品。通过热化学、生物转化或电催化途径，生物质可高效转化为高价值的化学品，如葡萄糖、HMF、FDCA和甲酸等。其中，电催化技术因其操作条件温和、转化效率高而备受关注。本文综述了各类电催化生物质增值领域的最新进展，并重点分析了当前亟待解决的关键挑战。

生物质分解作为电催化途径的主要原料来源

生物质是生产各类化学品的可再生资源，但其复杂的结构需要预处理才能转化为有价值的化合物。木质纤维素生物质是最丰富的类型，由纤维素、半纤维素和木质素组成。首先，它可以通过热化学、生物和物理方法进行分馏，转化为电催化过程中反应的中间体。例如，热化学方法，可将生物质分解成更简单的中间体，如生物油和合成气。而生物方法，包括发酵，将其转化为糖和有机酸。物理和物理化学过程，如研磨或蒸汽爆炸，提高了这些材料进一步加工的可能性。然而，如何高效地分离和处理这些组分，以便进行后续转化，成为了一个关键挑战。此外，将这些生物质分解方法与电催化结合仍然面临复杂性，需要进一步的创新以提高效率和可扩展性。

HMF的电化学转化

HMF是一种从生物质中提取的重要化学物质，利用电化学技术将其转化为FDCA引起了广泛关注。FDCA是生物基聚合物（如聚呋喃二甲酸乙二醇酯，PEF）的前体，而PEF是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的可持续替代品。HMF的电化学氧化反应（HMFOR）通常在碱性介质中进行，如1 M KOH，能获得高FDCA产率、优异的法拉第效率（FE）和完全的HMF转化。然而，HMF在强碱性溶液中不稳定，会生成5-羟甲基-2-呋喃羧酸（HMFCA）和二羟甲基呋喃（DHMF）等副产物，从而降低工艺效率。过渡金属催化剂，如钴、镍和铜，因其可调的性能和成本效益，在解决这些挑战方面表现出良好前景。尽管如此，仍需要进一步研究以减少副产物的形成，提高催化剂的稳定性，并优化反应条件，以实现大规模应用。

甲醇的电化学转化

甲醇是生物质衍生的重要原料，是生产甲酸的关键化合物。甲酸作为一种高能量密度的氢气载体，具有在温和条件下释放氢气的优点，这使其在能源存储和燃料电池应用中具有广泛前景。此外，甲酸还在纺织、橡胶和制药等多个工业领域中有着重要应用。在甲醇氧化反应（MOR）中，甲醇被电化学氧化为甲酸，并可与氢气演化反应（HER）耦合，在阴极同时生成氢气。铂和钯等贵金属催化剂因其优异的催化活性而广泛用于MOR。然而，为了降低成本并提高效率，基于过渡金属的催化剂也在不断研发。MOR面临的挑战包括在高甲酸盐浓度下生成碳酸盐副产物，以及如何将批量工艺转化为连续化生产体系。因此，解决这些问题对于甲醇制甲酸的商业化至关重要。

糖类的电化学转化

糖类是通过纤维素和半纤维素的降解获得的丰富原料，是生产高附加值化学品的重要来源。通过电化学氧化，像葡萄糖和木糖这样的糖类可以转化为葡萄糖酸、木糖酸及其他有机酸，这些化合物在食品、制药和化妆品等行业中具有广泛的应用。此外，糖类还可通过电化学氢化（ECH）反应转化为如山梨醇等化合物。然而，糖类在碱性环境中的稳定性面临挑战，因为糖类可能发生烯醇化副反应。虽然一些研究已通过使用如TEMPO等试剂实现了较高的转化率和产率，但这些试剂的高成本限制了其在工业中的应用。因此，仍需进一步研究以开发成本效益更高的催化剂，并优化操作条件。而将可再生电力融入这些过程将有助于提高其可持续性和可扩展性，使糖类电催化成为一种有前景的生物质转化途径，能够生产高附加值的化学品。

总结及展望

生物质衍生物电催化转化的前景广阔，未来的研究应聚焦于多个关键领域。首先，电极催化剂创新至关重要，需要开发具有高选择性、耐用性和成本效益的催化剂，尤其是在中性pH等环境友好条件下。其次，提升工艺的可扩展性对于实现大规模应用至关重要，需优化反应过程设计以确保经济可行性。同时，将电氧化与还原反应结合（如HMF转化为FDCA与CO₂还原）有助于进一步提高转化效率。此外，拓展新的生物质衍生物中间体，减少对昂贵试剂的依赖，将有助于增强与传统化石基化学品的竞争力。最后，将生物质增值纳入循环经济框架，能够提升资源利用效率并减少环境影响。通过这些创新，生物质衍生物的电催化转化有望从实验室研究迈向工业应用，从而推动低碳经济的发展。

04 文章摘要

Abstract

Countless efforts have been dedicated to shifting from fossil-to bio-based resources, including the conversion of biomass derivatives into high-value building-block chemicals using various catalytic processes. In particular, electrochemical conversion is a remarkable process when considering biomass as a renewable resource and when applying renewable energy. As typical promising derivatives, 5-hydroxymethylfurfural, methanol, and sugars have been extensively investigated to date on a laboratory scale via electrochemical conversion to obtain valuable chemicals such as 2,5-furan dicarboxylic acid, 2,5-di(hydroxymethyl)furan, formic acid, gluconic acid, and xylitol. This review focuses on the electroconversion of biomass derivatives to high-value-added products. In particular, the catalyst activity, stability, and selectivity for the desired products, reaction mechanisms, and operating conditions of the electrocatalytic process are summarized and discussed. The review also addresses the challenges in the development of electrocatalysts for the electroconversion of biomass derivatives while avoiding side reactions to reduce the separation and purification processes. This study is expected to guide future developments in this field.

05 作者简介

官国清 教授

官国清，日本国立弘前大学教授。分别于1990年，1993年，1995年取得四川大学本科，硕士和博士学位，1998年晋升四川大学副教授，曾在德国做洪堡学者，在日本做JSPS外国人特别研究员，已发表国际同行评审论文超过490篇，获得60多项美国和日本专利。其研究领域包括能源技术，能源材料与化学，环境催化与环境材料，分离及过程设计等。多次获得日本化工学会等奖励。现为国际期刊Carbon Resources Conversion, Resources Chemicals and Materials和MetalMat副主编，以及担任Fuel Processing Technology等国际杂志编委。现任World Society of Engineering Thermochemistry（WSETC），全球华人化工学者等国际组织和日本化工学会日中国际交流委员会委员。2020-2024连续入围全球前2％顶尖科学家终生及年度榜单（World's Top 2％ Scientists）。

06 Green Carbon

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