【文献解读】APPL CATAL B：光催化生物质衍生糖类物质制备乳酸

乳酸是生物质资源化利用过程中的重要中间体，属于美国能源部公布的12种高价值生物质平台化合物之一。乳酸不仅在当前的食品、化妆品和药品生产中有重要应用价值，而且可以用来制造可生物降解的聚合物-聚乳酸酯。此外，乳酸可以用来制造丙酸、乳酸乙酯、丙烯酸、2,3-戊二酮、环氧丙烷等高价值化学品以及可降解的乳酸酯类溶剂。

乳酸的制备有生物法和化学法两种方式。生物法制备乳酸主要采用葡萄糖和玉米淀粉作为原料，单一的生物发酵系统很难直接利用木质纤维素类生物质作为原料生产乳酸。化学法可以再划分为均相催化和多相催化两类。均相催化的效率和选择性相对较低，催化剂的回收和循环利用相对繁琐，而且容易造成二次污染。多相催化具有催化剂容易回收和二次污染少的优势，一些固体酸和固体碱催化剂已经取得了有效的结果。如tungstated alumina和tungstated zirconia分别可以将纤维素转化为27.0%和18.5%的乳酸。Sn-Beta沸石可以将单糖和二糖转化为30.0%的乳酸。然而，多相催化目前仍然面临反应温度高、效率低和选择性差的问题。

孙润仓教授课题组（作者为硕士研究生金栋女，通讯作者为孙润仓教授和马纪亮博士）报道了利用光催化将来源于生物质的糖类物质转化为乳酸的新技术，该技术不仅可以在较低的温度下进行反应，而且可以转化多种糖类原料，为乳酸的高效制备提供了一条有潜力的新途径。

图文解读

作者采用醋酸锰和三聚氰胺作为原料制备了氧掺杂的多孔超薄氮化碳(Ut-OCN)作为光催化材料，并与普通的氮化碳（CN）进行比较。透射电镜表明Ut-OCN具有薄片状多孔结构，原子力显微镜表明Ut-OCN厚度为1.3 nm左右。元素影像谱图和EDS分析结果都证实氧元素成功掺杂进Ut-OCN骨架结构中。

Fig. 1. Illustration of preparation of Ut-OCN (A), SEM of Ut-OCN (B, C), and element
mapping images of Ut-OCN: C element (D), N element (E), and O element (F), (G):
the EDS spectrometer of Ut-OCN. TEM of CN (H, I) and Ut-OCN (J, K). AFM of CN
(L, M) and Ut-OCN (N, O).

氮气吸附-脱附结果表明Ut-OCN具有更高的比表面积。Ut-OCN和CN的XRD和FT-IR是相似的，都具有典型氮化碳的特征峰。XPS结果也表明氧元素成功掺杂进材料的骨架结构中。

Fig. 2. N₂ adsorption isotherm (A) and the BJH pore size distribution (B) of CN and Ut-OCN. FT-IR spectra (C) and XRD patterns (D) of CN and Ut-OCN. XPS spectra of Ut-OCN photocatalyst: Survey (E), C 1s (F), N 1s (G), and O 1s (H).

氧掺杂显著提升了材料的可见光吸收性能，Ut-OCN的带隙能为2.3 eV，显著低于CN的带隙能（2.6 eV），有利于提高材料对可见光的吸收范围。

Fig. 3. UV-vis DRS for CN and Ut-OCN (A). Inset in (A) shows a digital photograph and the plot of transformed Kubelka-Munk function versus photo energy for CN and Ut-OCN samples. Mott-Schottky plots of CN and Ut-OCN at frequencies of 500, 800, 1000 Hz in 0.5 M Na₂SO₄ and 0.2 M phosphate buffer electrolyte (B). Ultraviolet photoelectron spectra (UPS) as well as linear intersection for CN and Ut-OCN (C). Relative band alignment of CN and Ut-OCN (D).

研究发现，Ut-OCN可在较温和的条件下光催化果糖合成乳酸，其中果糖的转化率为98.1%，乳酸的产率为69.6%。循环实验表明该材料具有良好的循环使用性，循环使用10次后，其活性未发生明显的改变。同时，该催化体系也具有良好的普适性，可将木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖和鼠李糖高效转化为乳酸。另外，将上述反应体系扩大一千倍（采用自然光作为光源，反应温度为室温，其余条件不变），仍然可以得到较高产率的乳酸，表明该体系具有放大化应用的潜力。

Fig. 7. The effects of different conditions on the synthesis of lactic acid, (A): reaction
temperature, (B): catalyst dosage, (C): the concentration of KOH solution, (D): reaction
time. Recycling of Ut-OCN photocatalyst (E). The selectively oxidation of different
biomass-based monosaccharides to lactic acid photocatalyzed by Ut-OCN (F).

结 论

本研究从光催化剂的设计出发，成功构建制备了氧掺杂的超薄多孔氮化碳材料Ut-OCN。相比于传统方法制备的CN，Ut-OCN拓宽了对可见光的吸收范围，降低了其荧光强度，从而有利于光催化活性的提升。利用Ut-OCN在光照和温和条件下能够将多种糖类物质转化为乳酸，实现了催化剂的多次循环利用，为乳酸的高效制备提供了一条有潜力的路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119520

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