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       https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.134999

近日，新疆大学李建课题组在Fuel期刊发表了有关纤维素催化制低碳醇相关研究工作，论文题目为“Revealing the role of CuMgAlOx catalyst components in cellulose depolymerization and alcohol formation”，该论文第一作者/通讯作者为新疆大学李建副教授。

一、本文亮点

• Cu、Mg 和 Al 的协同作用使醇的选择性提高到 94.3%；

• SOL 动力学模型表现出优异的实验拟合 (R2>0.996)；

• Mg 和 Al 优化了催化剂的结构、酸度和甲醇重整效率，提高了醇产率和反应速率。

二、本文摘要

  低碳醇是清洁可再生能源源，适用于燃料和化学工业。 本研究探讨了 CuMgAlOx 催化剂在无氢气条件下的纤维素醇解性能，重点关注其催化机制和动力学行为。 催化剂表征表明 Cu、Mg 和 Al 的协同作用可以增强活性、表面积和分散度。 Cu 对于甲醇转化和氢解析至关重要，而 Mg 则优化了纳米结构，通过减小 Cu 晶粒大小（从 10.1nm 降至 8.0nm）并增加中等强度活性（314.9μmol/g）。 Al 独特地促进了酸碱二元性，使甲氧基乙醚醇（MOA）的选择性显著提高到 31.1%，通过乙醚化反应（k=6.0h^-1）。 结构导向集总（SOL）构建的动力学模型，显示出较强的预测准确度（R²>0.996），动力学表明 CuMgAlOx 加速了纤维素素的分解和加氢脱氧过程，得到了较高的醇类选择性（94.3%）和产率（58.0 %）。 该研究提供了在生物质增值化中的多金属催化剂设计的综合框架，并推进可持续醇类燃料生产技术。

三、本文内容

低碳醇作为清洁可再生能源，已被广泛研究和应用于燃料和化学工业领域。目前，低碳醇的主要合成方法是从化石燃料或生物质中提取出来的。但这些过程消耗了大量不可再生资源，并带来了环境挑战。催化转化纤维素为醇类虽具潜力，但现有催化剂多需高压氢气，面临经济性与稳定性挑战。CuMgAlOx催化剂在无氢条件下表现出高效催化性能，但其机制尚不明确，尤其是Cu、Mg、Al各组分在反应路径中的动态作用缺乏深入理解。

本研究通过催化剂表征、实验评估及基于结构导向集总（SOL）的动力学建模，旨在揭示CuMgAlOx催化剂中金属组分的结构调控、酸性位点分布及反应网络机制，为生物质高效转化与可持续醇类生产提供理论依据和技术支持。

研究结果表明，Cu作为催化核心，不仅驱动了甲醇转化为氢气，提供了还原气氛，同时选择性地促进 C–O/C–C 键断裂，其纳米级分散性使醇类初始选择性达到76.5%。Mg主要起结构调控作用，可使 Cu 晶粒尺寸减少 21%（从10.1 nm降至8.0 nm），并显著增加了比表面积（从 11 增加到 89 m2/g），增强中等强度酸位（314.9 μmol/g），从而促进β-1,4-糖苷键的断裂。Al主要起电子和酸性调节作用，形成双功能酸碱位点，通过优化醚化反应（k9=6.0 h-1）使甲氧基醇（MOA）选择性达到31.1%，并通过强金属-载体相互作用稳定了Cu物种。 CuMgAlOx的三元协同作用实现了催化平衡的最优化：Mg减缓了Al诱导的Cu聚集，而Al则抵消了Mg对孔扩大的影响，从而形成了具有 208 m3/g 表面积、487.2 μmol/g 酸性以及优化金属分散性的层级结构催化剂。这一协同作用使得在58.0%的醇产率和94.3%的醇选择性，显著超过了单/双组分催化剂的效率。动力学分析表明，纤维素分解（k4=2.6 至 4.7 h-1）和脱氧水合反应速率（k6=0.7 至 5.6 h-1）相比单独的CuO系统显著增强。这些研究成果为多金属催化剂的合理设计提供了新的思路，强调了结构调控（Mg 介导）、电子效应调节（Al 诱导）以及活性中心优化（Cu 作用）三者之间的关键协同作用。

图1. 四种催化剂的表征。 a. XPS ； b. XRD ； c. H₂ -TPR； d·NH₃ -TPD ； e. Py-IR 光谱； f. N₂ 吸脱附曲线。

图2.四种催化剂下纤维素转化特性。 a. 6 h的转化情况； b.6 h下的产物选择性分布； c-f. 各催化剂作用下纤维素随时间变化的转化特性.c. CuO， d. CuMgOx， e. CuAlOx， f. CuMgAlOx.

图3.使用 SOL 方法构建的动力学模型反应网络