这篇文档属于类型a，是一篇关于光催化裂解木质素Cα–Cβ键的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

作者及发表信息

本研究由Yin Ai（江西科技师范大学柔性电子创新研究院）、Yuzhen Zhao（西京大学材料与能源科学研究所）、Xiaoqin Huang（豫章师范学院碳中和新能源研究所）等共同完成，通讯作者为Xutang Liu、Hongliang Liu和Gang Liu（均来自江西科技师范大学有机化学研究所）。论文题为《Selective and efficient cleavage of Cα–Cβ bonds in lignin models and native lignin using an S-scheme CeO2/g-C3N4 heterojunction photocatalyst》，发表于Green Chemistry期刊2025年第27卷，页码8936-8949，DOI为10.1039/d5gc02601f。

学术背景

研究领域：本研究属于绿色化学与生物质资源转化领域，聚焦于木质素的高值化利用。木质素是自然界唯一可再生的芳香族生物聚合物，但其复杂且顽固的结构导致工业上多以焚烧或废弃处理，加剧温室气体排放。木质素的高效转化需突破其关键化学键（如β-O-4结构中的Cα–Cβ键，占木质素连接的43%-65%）的选择性断裂。传统方法依赖苛刻条件（高温高压、有毒试剂），违背绿色化学原则。光催化因其温和条件成为潜在解决方案，但现有催化剂存在电荷复合快、选择性低等问题。

研究目标：开发一种S型异质结光催化剂（CeO2/g-C3N4），在可见光下高效选择性裂解木质素Cα–Cβ键，实现木质素向高附加值芳香化合物的绿色转化。

研究流程与方法

1. 催化剂制备与表征

• 步骤1：g-C3N4纳米片合成
  通过三聚氰胺高温聚合（550°C，4小时）制得块体g-C3N4（bcn），再经HNO3水热蚀刻（100°C，12小时）剥离为纳米片（g-C3N4）。
  
• 步骤2：CeO2/g-C3N4异质结构建
  将g-C3N4与Ce(NO3)2·6H2O前驱体混合，通过原位生长法（350°C煅烧2小时）制备不同负载量（15%、30%、50%）的CeO2/g-C3N4复合材料。
  
• 表征技术：
  
  • XRD：确认CeO2立方萤石结构（JCPDS 34-0394）和g-C3N4晶体结构（JCPDS 87-1526）。
    
  • FT-IR：分析化学键，804 cm−1处三嗪环特征峰证实g-C3N4结构完整性。
    
  • BET：30% CeO2/g-C3N4比表面积达146.4 m²/g，高于单一组分（CeO2: 67.9 m²/g；g-C3N4: 101.6 m²/g）。
    
  • SEM/TEM：显示CeO2纳米颗粒（~100 nm）均匀负载于g-C3N4纳米片，HRTEM显示0.31 nm（CeO2 (111)晶面）与0.33 nm（g-C3N4 (002)晶面）的晶格间距。
    
  • XPS：Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和氧空位证实界面电荷转移，支持S型异质结机制。
    

2. 光催化性能测试

• 研究对象：
  
  • 模型化合物：2-苯氧基-1-苯乙醇（PP-ol）及其他β-O-4/β-1木质素模型（如DP-ol、PP-ol-MeO）。
    
  • 天然木质素：松木（软木）和麦秆（草本）木质素。
    
• 实验条件：
  
  • 反应器：5 mg催化剂+5 mg底物+5 mL溶剂（乙腈最优），300 W氙灯（350-780 nm），室温，空气氛围。
    
  • 控制变量：不同气氛（N₂、空气、O₂）、溶剂（CH₂Cl₂、H₂O、乙醇）、光照时间（1-4小时）。
    
• 分析方法：
  
  • HPLC/GC-MS：定量产物（苯甲醛、苯甲酸、苯甲酸酯等）并计算转化率与选择性。
    
  • ESR：捕获活性物种（·O₂⁻、碳中心自由基），使用DMPO为捕获剂。
    
  • 同位素标记实验：通过Cβ-D标记PP-ol证实Cβ-H脱氢为决速步。
    

3. 机理研究

通过能带结构分析（UV-Vis DRS、Mott-Schottky测试）确定CeO2（Eg=3.10 eV，CB=-0.28 eV）与g-C3N4（Eg=2.51 eV，CB=-0.47 eV）的S型电荷转移路径：
- 光照下，CeO2的CB电子与g-C3N4的VB空穴复合，保留g-C3N4的强还原性（e⁻）和CeO2的强氧化性（h⁺）。
- 关键活性物种：h⁺氧化Cβ-H生成自由基中间体，·O₂⁻攻击Cα–Cβ键完成断裂。

主要结果

1. 催化效率：

   • 30% CeO2/g-C3N4在4小时内实现PP-ol 100%转化率，Cα–Cβ键断裂选择性达96.7%，产物收率：苯甲醛（65.0%）、苯甲酸酯（46.3%）。
     
   • 天然木质素降解后，松木和麦秆木质素的单体产率分别为2.678 wt%和1.432 wt%。
     

2. 稳定性：循环5次后催化剂活性保持92%，XRD/SEM证实结构稳定性。

3. 机理验证：

   • 清除实验表明h⁺和·O₂⁻为关键活性物种。
     
   • ESR直接检测到DMPO-·O₂⁻信号，支持S型机制。
     

结论与价值

科学价值：
- 首次设计S型CeO2/g-C3N4异质结用于木质素Cα–Cβ键断裂，阐明了界面电荷转移机制与活性物种作用路径。
- 为生物质资源绿色转化提供了高效、低能耗的策略，避免使用有毒试剂或外部氧化剂。

应用前景：
- 可扩展至农业/林业废弃物中木质素的规模化处理，推动垃圾回收产业的升级。

研究亮点

1. 创新性方法：开发0D/2D S型异质结，结合CeO2的强氧化能力与g-C3N4的电荷分离优势。
   
2. 高效选择性：Cα–Cβ键断裂选择性（96.7%）和底物普适性（涵盖多种模型及天然木质素）远超同类研究。
   
3. 绿色工艺：常温常压、可见光驱动，符合绿色化学原则。
   

其他价值

• 同位素标记与ESR技术为木质素键断裂机理研究提供了新范式。
  
• 催化剂制备方法（酸蚀刻-原位生长）可推广至其他异质结体系的设计。
  

（报告总字数：约1500字）