文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.001

1 文章导读

发展再生且碳中性的能源已成为国际共识。木质纤维素生物质因其可再生性和碳中性而被视为一种可持续的能源选择。作为地球上最丰富的可再生芳香聚合物，木质素具有作为生产芳香族化学品的可持续原料的巨大潜力。然而，木质素的结构复杂性对其高效增值转化构成了重大挑战，这主要源于苯丙烷单元通过C-O-C和C-C键的随机连接，以及在解聚过程中易发生的不良缩合反应。

为应对这一挑战，研究人员广泛采用木质素衍生模型化合物来模拟天然木质素中的代表性结构单元。这些模型化合物主要分为二聚体和单体两类，分别用于模仿木质素中的特征键（如4-O-5、α-O-4、β-O-5）和官能团。模型化合物具有三大优势：其化学反应性为理解木质素的加氢解聚机制提供了深刻认知；可作为下游转化的代表性原料，直接支持高价值化学品的生产；其相对简单的结构便于产物分析和机理研究。

基于此，中山大学严凯教授团队系统总结了当前木质素解聚策略，并重点阐述了木质素衍生模型化合物在催化加氢领域的最新进展。通过分析不同单元间键和官能团对加氢路径的影响，并总结催化剂设计的最新发展，本综述深入探讨了与木质素升级相关的反应机理。文中特别关注了通过合金化和选择性中毒对金属位点进行修饰，以及载体的物理化学性质（如比表面积、限域效应、酸碱特性和缺陷）对催化剂性能的调控作用，为开发高效、稳定的木质素定向转化催化剂提供了理论指导。相关文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Lignin depolymerization and downstream upgrading: mechanistic insights from catalytic hydrogenation of model compounds”。

2 研究亮点

• 系统总结了木质素解聚的代表性策略及其反应机理。

• 综述了木质素衍生模型化合物的加氢转化路径与反应机制。

• 指出模型化合物研究有助于深化对木质素解聚与高值化利用的认识。

• 强调了金属物种、酸碱性质及表面缺陷在反应中的作用。

• 指出了机理研究以及催化剂活性、选择性与稳定性方面仍然面临的挑战。

3 内容概述

1. 木质素的三大解聚策略

木质素的三大解聚策略主要包括还原解聚、氧化解聚和热解聚。还原解聚是在还原剂（如H₂）和金属催化剂（如Ru、Ni、Co）作用下，将木质素选择性断裂为低分子酚类化合物，其优势在于条件相对温和、能有效抑制重聚反应，是目前最具前景的路径之一，但面临芳香环过度加氢导致H₂消耗增加的挑战。氧化解聚利用氧气、过氧化氢等氧化剂，通常在碱性条件下将木质素转化为香兰素、丁香醛等高附加值芳香醛，反应速度快但产物复杂、选择性控制困难。热解聚则包括热解和气化，在高温下将木质素转化为生物油或合成气，适合大规模转化，但存在产物分布广、焦炭生成多等问题。此外，光催化、电催化和生物催化等新兴技术在温和条件下转化木质素的潜力也很大，但这些技术目前多局限于模型化合物研究，在产率、经济性和反应条件控制等方面仍面临挑战。

图1. 木质素解聚的主要策略：还原法、氧化法和热解法。

2. 二聚体模型化合物的加氢转化

二聚体模型化合物（如二苯醚、苄基苯基醚、苯乙基苯基醚）被广泛用于模拟木质素中的4-O-5、α-O-4和β-O-4等典型C-O-C键。研究表明，通过催化剂设计调控C-O-C键断裂与芳香环加氢之间的竞争是实现选择性转化的关键。该文综述了多种调控策略：通过磷改性载体（Ni/AlP_0.5O_x）弱化产物吸附，实现温和条件下（30 °C）C-O-C键的选择性断裂；通过溴选择性中毒（Br-Ru/C、Br-Ni/Al₂O₃）优先毒化芳香环加氢所需的terrace位点，有效抑制环加氢；通过构建氧空位或金属间相互作用（如Ru-MnO/Al₂O₃）诱导底物垂直吸附，促进C-O-C键断裂。对于需要深度加氢生成环烷烃（如环己烷、环己醇）的路径，该文总结了通过增强金属-载体相互作用（Ru/MgAl₂O₄）或利用溶剂氢转移（Ni/Nb₂O₅在异丙醇中）等策略提升催化活性和稳定性的研究。

图2. 二聚体模型化合物加氢的反应途径。

图3. 二聚体模型化合物催化加氢的反应机理与调控策略。

3. 单体模型化合物的加氢转化

单体模型化合物主要用于研究解聚产物的进一步升级转化。香兰素是典型的木质素衍生醛类单体，其加氢脱氧可生成2-甲氧基-4-甲基苯酚或4-甲基环己醇。本文指出，非贵金属催化剂在氢转移体系中表现出高活性和选择性，而酸位点（Bronsted或Lewis酸）的引入对促进C-OH键断裂至关重要。研究表明，通过N掺杂调控金属电子结构，或利用载体缺陷位（如UiO-66-COOH中的羧基）协同催化，均可显著提升反应效率。

图4. 香草醛加氢脱氧反应路径与选择性调控策略。

愈创木酚中含有甲氧基和羟基，其加氢脱氧路径更为复杂，可生成酚类、环己醇或苯系产品。本文综述了通过调控催化剂酸性和氧空位实现产物选择性调控的策略。例如，利用Ru/TS-1的Lewis酸位点和限域效应促进愈创木酚直接脱氧生成苯；通过烟煅烧策略在NiV/Hβ催化剂界面构建富氧空位环境，增强儿茶酚吸附和C-OH键断裂，实现高达61.7%的苯、甲苯、二甲苯收率。

图5. 愈创木酚加氢反应路径与选择性调控策略。

肉桂醛中含有共轭C=C和C=O键，其选择性加氢是精准化学合成的经典探针反应。本文总结了通过催化剂设计调控选择性的机制：Pt基催化剂（如Pt-Co_xO_y@mSiO₂）利用金属间电子效应和限域效应促进C=O加氢生成肉桂醇；Pd基催化剂（如Pd@SG-ZSM-5）利用孔道限域和单原子位点（Pd-SA+C/g-C₃N₄）优先吸附并加氢C=C键生成苯丙醛；非贵金属催化剂（如Zn/NC-900）则通过Meerwein-Ponndorf-Verley机制实现高选择性C=O加氢。

图6. 肉桂醛选择性加氢反应路径与选择性调控策略。

4 总结与展望

木质素作为自然界最丰富的可再生芳香聚合物，其催化转化制备高附加值化学品既可减少化石资源依赖，又可助力碳中和，战略意义显著。木质素衍生模型化合物的加氢研究为揭示真实木质素解聚机理提供了重要平台。该综述系统总结了木质素解聚策略（还原、氧化、热解），并重点阐述了二聚体（DPE、BPE、PPE）和单体（香兰素、愈创木酚、肉桂醛）模型化合物在催化加氢中的反应路径与机理进展，以及催化剂设计的关键调控策略，包括金属位点修饰、载体酸碱调控、缺陷工程及限域效应等。

然而，该领域仍面临挑战一些挑战：一是催化剂筛选依赖试错，金属多样性导致高效筛选耗时费力；二是高值化转化路径（如完全加氢脱氧）常需高温高压，易引发副反应，温和条件下兼具高活性和高选择性的催化剂开发仍是难题；三是含酸性位或氧空位的催化剂长期运行易积碳失活；四是高性能催化剂合成多涉及复杂步骤和有机溶剂，缺乏绿色可放大的制备路线。

针对上述挑战，综述指出未来应重点关注以下几个方面：建立金属性质与催化性能的构效关系以指导高效筛选；利用原位表征技术揭示反应机理；开发绿色可持续合成方法并优化结构稳定性；优化反应工艺（如连续流反应器），推动工业化应用。将机理认知转化为高性能催化剂的设计，对推动木质素资源化利用具有重要指导意义。

5 通讯作者简介

严凯，中山大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才，中山大学百人计划杰出人才和逸仙优秀学者，同时担任广东省3R固废资源化工程中心主任和中山大学生物质资源化团队负责人。长期从事生物质资源化领域的研究，先后在Nature子刊、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B、ACS Catal.、AIChE J.等期刊上发表SCI论文130余篇，其中22篇入选ESI高被引论文，9篇入选封面文章；申请国家专利20余项，授权11项，含美国和澳大利亚专利各1项，企业转化1项；受邀编著生物质英文专著2本，受邀担任Front. Plant Sci.、Sustain. Horiz. 期刊副主编和Green Energy Environ.、Current Green Chem.、Nano-micro Lett.、Chin. Chem. Lett.、Front. Environ. Sci. Eng.、Biochar、物理化学学报、Carbon Res.、eScience、能源环境保护期刊编委/青年编委；主持国家万人计划、国家自然科学基金面上（3项）、国家重点研发计划课题、广东省重点研发计划和联合基金重点等多个项目；获得国际IAAM Medal奖、全球前2%顶尖科学家榜单（连续5年入选）、中国发明协会一等奖、广东省环境科学学会青年科技奖、RSC Top 1%高被引学者、教育部科学研究优秀成果一等奖、中国化学会青年创新奖（2次）等多项奖励。

曾永健，2025年毕业于中山大学获博士学位，现为中山大学环境科学与工程学院逸仙博士后（严凯教授课题组）。主要研究方向为生物质热催化转化，近年以第一作者/共一在Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Eng. J.、Green Chem.、Renew. Sustain. Energy Rev.等期刊上发表SCI论文8篇（含ESI高被引论文1篇），获批广东省自然科学基金面上项目1项。

文章信息

S. Zhang, Y. Zeng, X. Wang, C. Zeng, H. Qi, K. Yan, Lignin depolymerization and downstream upgrading: mechanistic insights from catalytic hydrogenation of model compounds, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.001 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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