在國家“碳達峰碳中和”的目標背景下，如何替代不可再生的化石資源實現(xiàn)能源可持續(xù)利用是亟需解決的問題，將儲量豐富且可再生的生物質資源轉化為高價值化學品具有重要意義。其中，將農(nóng)林生物質中占大部分的纖維素轉化為乳酸(LA)更具經(jīng)濟價值。與傳統(tǒng)的催化熱解或高溫水解方法相比，光驅動催化通常在環(huán)境大氣壓和常溫條件下進行，相對工藝簡單能耗低，且豐富的光生載流子為纖維素中β-1,4-糖苷鍵的選擇性裂解與轉化提供了可能。
近期李霞章與佐治亞理工學院合作者Chen Yongsheng課題組通過簡單的氨蒸發(fā)對凹凸棒石（Pal）進行了Cu離子晶格重建，當Cu含量超過6 wt%后，在弱還原物質D-葡萄糖存在下，吸附在重構Pal表面上的多余Cu離子形成氧化亞銅量子點(Cu2O QDs)，從而合成了具有強路易斯酸性質的催化劑Cu2O QDs/Cu-Pal，使用了STEM-HAADF以及同步輻射等手段分析了Cu改性凹凸棒石的微結構與配位特征，使用了in situ ATR手段探究了光催化重整反應中間過程。發(fā)現(xiàn)隨著Cu離子交換容量達到平衡，Cu離子進入了Pal八面體晶格實現(xiàn)Pal重構，且Cu2O QDs等離子共振效應為反應提供了局部熱場效應，提高光催化解聚纖維素的效率，在可見光照射下獲得了優(yōu)異的LA選擇性。提出如下機理：
(1) Cu摻入Pal骨架中縮小了本征帶隙達到可見響應。在Cu-Pal表面原位生長的Cu2O QDs增強了光吸收并暴露了更多的路易斯酸位點用于C3中間體的異構化。
(2) Type-II型異質結構促進了光激發(fā)e??h+對的分離，并利用Cu-Pal足夠的光生載流子產(chǎn)生超氧自由基來裂解β-1,4-糖苷鍵。
(3) Cu-Pal的膠體特性使鏈狀纖維素底物能夠緊密吸附于Lewis酸位點利于反應進行。
該工作在開發(fā)太陽能的趨勢下為粘土礦物與生物質之間搭建了一個橋梁，為生物質轉化為高價值化學品提供了一種全新的策略。以上工作以題為“ Solar driven catalytic conversion of cellulose biomass into lactic acid over copper reconstructed natural mineral”發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental 317 (2022) 121718， https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121718，第一作者為碩士生仲明輝。該研究得到了江蘇省綠色催化材料與技術重點實驗室，江蘇省教育廳國際科技合作實驗室和常州市生物質綠色安全高值利用技術重點實驗室的大力支持。
近年來，李霞章研究員團隊與美國特拉華大學Ni Chaoying和佐治亞理工學院Chen Yongsheng課題組合作，圍繞天然礦物材料/生物質的高質化利用開展了一系列創(chuàng)新性工作，在氮氧化物去除（Journal of Catalysis 2019, 369, 190; Journal of Hazardous Materials 2020, 386, 121977）,固氮合成氨（Chemical Engineering Journal 2021, 414, 128797; ACS Sustainable Chem. Eng 2022, 10, 1440）, 水體硝酸鹽轉化（Chemosphere 2022, 294 ,13376）,CO2資源化利用(Ind. Eng. Chem. Res 2022， https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c01139)等方面取得了系列進展。
