温和条件下木质素在镍电极转化为高附加值产品

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题目

An integrated electrochemical process to convert lignin to value-added products at mild conditions

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期刊

Green Chemistry

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全文速览

作为最大的芳烃可再生来源的化学原料，木质素的转化利用对于生产芳香化学品至关重要。但目前在生物炼制过程中，它通常被作为废物处理或直接燃烧，这是因为其具有复杂的通过C-C和C-O键连接的结构。切断C-O键和C-C键，对于充分利用木质素，提高单体产率和整体效率是必不可少的。木质素的电化学裂解是最有前途的增值技术之一，因转化过程中并不需要提高温度和压力且相对安全而广受关注。

文章使用了高比表面积镍电极大大提高了木质素在连续式电化学反应器中的电化学解聚，在室温和环境压力下，在不到4小时的时间内可以实现分子量降低达到93%以上，成本低，处理安全，是木质素电化学转化有前途的方法。

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结果与讨论

搭建了如图所示流动电解池，对四种不同形貌和体积比表面积的镍电极材料进行了电化学解聚木质素的效率和效果测试，四种材料分别是平板镍、线状镍、毛毡镍以及泡沫镍。在室温和常压下进行均以5 g/L硫酸盐木质素溶于1M NaOH水溶液中进行电解实验。样品在反应过程中被采集，随后通过粒径排除色谱(SEC)进行分析。对于产物分离则搭建了电化学反应器与含有聚合紧密超滤膜的膜模块耦合装置，及时将产品和残余、未反应木质素分离。

对毛毡镍和堆叠泡沫镍两种镍电极解聚硫酸盐木质素后分子量随反应时间和消耗电荷的变化进行了探究。首先电化学氧化引起重均分子量增加，这可能是持续的自由基氧化偶联导致，然后一段时间后进行解聚，重均分子量开始下降。当电氧化解聚反应与消耗的电荷对应发现在较高的电流密度下，为了达到与低电流密度相同的解聚程度，需要消耗更多的电荷。这可能是在高电流下，析氧副反应增强。总体来看，两种镍电极对木质素的降解率都比较高。对产物进行分析发现，产物中含有单体酚类化合物，羧酸类化合物和一些无法确定的产物。

接着探究了不同电极材料在不同电流密度下反应90分钟后的解聚程度。通常，解聚的程度随着电极面积的增加而增加，四种材料中堆叠泡沫镍解聚程度最强，片状镍几乎没有转化。在镍线材料上重均分子量上升，这可能是发生了聚合反应，聚合途径和触发因素尚不明晰。

电极形态也影响电化学反应，尽管毛毡镍比泡沫镍具有更高的表面积，但解聚合度是相当的。造成这种效应的原因可能是质量从体到电极表面的传输受到限制，从而有效地限制了反应速率。根据传质系数kL和电极表面积A的乘积绘制，这是传递到反应位点的分子总量的度量。kLA的增加伴随着解聚程度的全面增强，这表明该过程中可能存在质量传递限制。为了保留所需的单体化合物和防止过度氧化，建立了电化学反应后的过滤。高分子量化合物的保留几乎是完全的，使木质素和产品的有效分离。结合反应和过滤可以完全降解利用的木质素，而不会对产品产生负面影响。

转自：“科研一席话”微信公众号

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