第一作者：陈露/刘永鹏
通讯作者：Erwin Reisner
通讯单位：剑桥大学化学系
论文DOI：10.1021/jacs.5c11981
中国科学院上海高等研究院（上海高研院）陈露研究员和剑桥大学刘永鹏、Erwin Reisner团队报道了一种基于ZnIn2S4（ZIS）的杂化光催化系统，用于在水溶液中选择性重整木质素模型化合物。此项研究成果以“Solar Lignin Reforming with Tunable Selectivity Using a Hybrid Photocatalyst in Aqueous Solution”为题发表于化学领域权威期刊《美国化学会志》（《Journal of the American Chemical Society》）上。通过引入不同的分子/生物酶助催化剂，系统可调控光生电子的流向，实现产物选择性的精准控制。该系统在真实太阳光下表现出良好的稳定性，并通过太阳能加热提升反应性能。该研究为木质素的高值化利用和CO2资源化提供了新策略。该催化体系的构建基于陈露研究员和刘永鹏博士作为第一作者在催化与生物杂化领域近两年发表的系列研究成果(Nat. Commun. 2025, 16, 9412; Nat. Commun. 2025, 16, 26; Energy Environ. Sci. 2025, 18, 7023; Angew. Chem. 2025, 64, e202424222; Joule 2025, 102165; PNAS 2024, 121, e2404830121; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 29865；Chem. Sci. 2024, 15, 6088)。
木质素是可再生的芳香族生物聚合物，其高效转化对实现低碳化工具有重要意义。然而，由于其结构复杂、惰性强，传统方法难以实现高选择性转化，且多数体系依赖有机溶剂，不利于绿色和规模化应用。太阳能重整是一种在温和条件下将木质素转化为燃料和化学品的前沿技术，但目前仍面临产物选择性难以调控、系统效率低等挑战。近年来，CdS、C3N4和ZIS等光催化剂在木质素转化中显示出潜力，但如何通过调控光生载流子实现多路径选择性转化仍是研究难点。本文提出通过引入具有特定功能的分子或酶助催化剂，调控ZIS中光生电子的流向，从而实现木质素转化路径的精准调控。
1. 选择性可调：通过引入不同助催化剂（NiP、NitpyP、FDH），实现对光生电子路径的精准控制，分别实现氢气、合成气、甲酸盐等多种产物的选择性生成。
2. 水相反应体系：系统在纯水溶液中运行，避免了有机溶剂的使用，更环保且易于分离，具备良好的实际应用前景。
在无助催化剂时，ZnIn2S4（ZIS）单独作用时，主要裂解木质素模型化合物2-苯氧基-1-苯乙醇（PP-ol）的β-O-4键，生成苯酚和苯乙酮。在引入NiP助催化剂后，系统转向产氢（H2）和氧化产物PP-one，二者产量呈线性增长。ZIS|NiP性能优于其他金属纳米颗粒或硫化物助催化剂体系。光强和温度升高均显著提升活性和H2选择性。该系统可适用于葡萄糖、真实木质素等多种底物，尽管对真实木质素活性较低。在剑桥大学屋顶进行两天真实太阳光测试，尽管光照和温度波动，ZIS|NiP系统仍保持稳定性能，证明系统具备实际环境适用性。
图1. 通过改变助催化剂的负载选择性调控木质素光催化产物。
图2. ZIS的材料表征。
图3. ZIS与ZIS|NiP光催化木质素重整的性能表征。
图4. 户外实验（剑桥大学化学系天台）。
图5. ZIS|NitpyP与ZIS|FDH光催化木质素重整的性能表征。
进一步引入NitpyP或甲酸脱氢酶（FDH），则可将CO2还原为合成气（H2/CO）或甲酸盐。ZIS|NitpyP系统将CO2还原为合成气（H2/CO），TONsyngas为48；ZIS|FDH系统则高效生成甲酸盐，TONformate达2200。但FDH在4小时后活性下降，可能与ZIS界面局部热效应或光氧化损伤有关。电化学和QCM测试表明FDH与ZIS之间具有快速且牢固的结合，促进电子转移。
本研究成功构建了一种基于ZIS的杂化光催化平台，通过调控助催化剂实现木质素在水相中选择性转化为H2、合成气、甲酸盐等多种高值产物。系统利用太阳能全谱（光与热），在浓缩光照下性能显著提升，并在真实户外环境中验证其稳定性与适用性。该策略不仅拓展了木质素资源化路径，也为CO2还原与生物质转化的耦合提供了新思路。该论文的第一作者为中国科学院上海高研院陈露研究员和剑桥大学刘永鹏博士，通讯作者为剑桥大学Erwin Reisner教授。感谢合作者、审稿人和编辑的宝贵意见，让文章思路更加清晰完整。
陈露，研究员，中国科学院上海高等研究院。天津大学学士，中国科学院过程工程研究所和丹麦科技大学硕士，瑞士洛桑联邦理工大学博士，伦敦大学学院和剑桥大学博士后。共发表论文26篇，其中以第一作者或共同通讯作者在Nat. Commun.（2篇）、PNAS、JACS等期刊论文14篇。
刘永鹏，英国利华休姆学者、剑桥大学艾萨克•牛顿学者。2021年博士毕业于瑞士洛桑联邦理工大学（导师：化学与化工系主任Kevin Sivula教授），瑞士日内瓦大学BNF学者，英国格拉斯哥大学硕士，华中科技大学学士。2022年至今在剑桥大学化学系能源与可持续发展讲席教授Erwin Reisner课题组开展博士后研究。在光电化学、环境催化、生物-非生物杂化系统、固废污染与温室气体的资源化利用及动态原位表征技术等前沿领域形成研究专长。迄今发表研究论文43篇，以第一作者（含共同）在Joule、Energy Environ. Sci.(2)、J. Am. Chem. Soc.(2)、Angew. Chem.(2)、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、Chem. Sci.等期刊发表论文17篇，以通讯作者在Exploration、JACS Au、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、J. Phys. Chem. Lett.等期刊发表论文6篇，h因子为24。多次在国际知名学术会议做专题报告，并获最佳报告奖7次。获洛桑联邦理工大学优秀博士学位论文奖（2021）、剑桥大学研究贡献奖（2025）。现任Nat. Synth.、Joule、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、ACS Energy Lett.、Adv. Sci.、ACS Catal.、Nano Lett.等40多种期刊独立审稿人。担任J. Energy Chem.、Carbon Neutralization、CleanMat、EcoEnergy、Sci. Rep.青年编委。近三年主持英国、瑞士科研项目经费总计约300万元。
Erwin Reisner is the Professor of Energy and Sustainability in the Department of Chemistry at the University of Cambridge and a Fellow of St. John’s College. He is an expert in renewable energy and sustainable chemistry, in particular the sunlight-powered production of sustainable fuels and platform chemicals. His cross-disciplinary research into solar chemical synthesis technologies focuses on the capture and utilisation of the greenhouse gas carbon dioxide as well as the valorisation of plastics and biomass waste to produce green fuels and chemicals for a circular economy.
Erwin’s research on solar chemical synthesis has been supported and recognised by several grants, such as an EPSRC Career Acceleration Fellowship (2009-2015), the Christian Doppler Laboratory for Sustainable SynGas Chemistry (2012-2019), a European Research Council (ERC) Consolidator Grant (2016-2023) and an ERC/UKRI Advanced Grant (2023-2028), as well as awards, such as the Corday-Morgan Prize by the Royal Society of Chemistry (2018), the Galvani Prize of the Bioelectrochemical Society (2022) and the Hughes Medal by the Royal Society (2023). He is the academic lead (PI) of the Cambridge Circular Plastics Centre (CirPlas; since 2019), co-director of the Centre for Doctoral Training in Integrated Functional Nano (nanoCDT) in Cambridge, and has previously acted as the academic lead of the UK Solar Fuels Network, which coordinates the national activities in artificial photosynthesis (2017-2021).
Solar Lignin Reforming with Tunable Selectivity Using a Hybrid Photocatalyst in Aqueous Solution.
Lu Chen,† Yongpeng Liu,† Sampurna Mitra, Dongseok Kim, Zhipeng Huang, David Michael Vahey, Ariffin Bin Mohamad Annuar, Erwin Reisner*
J. Am. Chem. Soc.2025, Articles ASAP
https://doi.org/10.1021/jacs.5c11981
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