近日，化学学院王晓红教授团队提出了一种简单、普适性的合成策略，解决了多中心、双亲型多酸分子基催化剂合成难题。该策略通过对多酸分子的组成、结构合理设计和调控，揭示了不同活性中心协同作用和催化新机理，改善了固体催化剂和生物质底物间的传质障碍问题，提出了温度控制回收催化剂和产物分离的新思路，实现生物质一锅全转化。该合成策略为替代传统液体酸、贵金属实现生物质清洁、高效定向转化作出了贡献。
生物质的化学转化常常面临如下困难：生物质来源广、原料成分复杂、各组份间的键连方式繁多，造成其转化常常耦合多种催化反应类型，如酸催化、碱催化及氧化和加氢等串联反应，而单一中心催化剂难以实现反应的顺序进行；转化中严重的传质障碍严重影响固体催化剂的活性，而传统的均相液体碱、酸催化剂具有回收困难等问题，贵金属价格高昂，应用受限。多酸是一类组成和结构确定、可调控的分子基催化材料，同时具有Brønsted（B）酸和氧化还原中心，是单一酸、氧化还原催化反应中的重要固体催化剂。但单一活性中心难以实现生物质多级串联转化，低的比表面积、均相性也制约其应用。开发多活性中心、双亲型固体催化剂替代酶、贵金属、液体酸碱，是破解生物质高效定向转化难题的有效方案。
针对多酸单一活性中心问题，研究团队创新性提出“atom-by-atom”取代合成思想制备多活性中心多酸分子催化剂，揭示不同活性中心间协同作用对多酸分子酸性、氧化还原性的影响规律，实现在分子水平上多中心多酸分子的可控合成及性能调控，研制出系列具有不同B/Lewis（L）双酸中心及酸/氧化还原中心多酸分子（如图）。在不同生物质多步转化中，利用自主设计的多酸分子完成从文冠果油、芸芥油、餐饮业废油（高酸值26.89%、高含水量1%）、大豆油、亚麻油等原料油出发催化转化制备生物柴油，制备出50 kg的文冠果（国家十一五重点能源树种北方的文冠果树）和芸芥两种生物柴油，相较于传统的硫酸工艺，醇油比由245: 1降低到20: 1，甲醇用量大幅减小。多酸催化剂可重复使用，生产一吨生物柴油仅消耗0.1 kg催化剂，是硫酸工艺成本的1/10。经吉林省化工产品监督检验站检测，两种生物柴油达到我国和美国生物柴油标准（如表）。发动机实验证明这两种生物柴油燃烧过程比石化柴油更清洁。相关工作以“Transesterification of vegetable oil to biodiesel using a heteropolyacid solid catalyst”为题发表在化学领域国际著名期刊《Advanced Synthesis Catalysis》上（Adv. Synth. Catal., 2007, 1057）。
图. 不同B/Lewis（L）双酸中心及酸/氧化还原中心多酸分子
表. 自主合成的两种生物柴油的理化指标
该团队面向国家“双碳战略”和农林废弃生物质为原料的能源利用和化学品开发的重大需求，结合我校多酸化学特色研究方向，聚焦生物基平台化合物级联转化的关键科学问题开展研究。通过调控多酸B/L分布和总酸量，实现从纤维素定向转化为重要的生物平台化合物5-羟甲基糠醛（5-HMF）以及乙酰丙酸（LeA）（Appl. Catal. B. Environ., 2016, 50）；利用生物基固熔体阳离子制备温度控制型多酸催化剂ChH4AlW12O40，催化纤维素高效制备LeA（74.8%），达到目前国际先进水平；同时，利用温度控制性能完成催化剂和产物的分离纯化。利用多中心、双亲型多酸在环境压力下，催化氧气替代H2O2实现氧化淀粉的制备（Appl. Catal. B. Environ., 2013, 161）。以上研究揭示多中心多酸催化生物质转化B酸和L酸、酸和氧化还原中心协同作用及定向转化机理；固体多酸的双亲性所构建的微环境解决传质障碍、产物和催化剂回收催化领域的难题。为构建高活性、生物质定向转化、绿色多酸分子基催化剂提供新的策略，可以指导类似多活性中心非均相催化剂的设计制备和开发。
团队先后在Green Chem.，Appl. Catal. B. Environ.，Adv. Synth. Catal.，等化学、材料与能源领域有国际影响力学术刊物上发表系列有代表性的文章；培养博士毕业生6名，其中1人获得吉林省优秀博士论文，1人获得校级优秀博士论文。取得的系列研究成果分别获得“cleer杯中国研究生‘双碳’创新与创意大赛”第一届二等奖和第二届一等奖。科研成果获得2023年度吉林省科学技术奖自然科学奖二等奖。