制造的催化剂将生物质糖转化为乳酸

一个研究小组开发了一种镍催化剂，可以将葡萄糖转化为乳酸，乳酸是可生物降解塑料的基础材料。通过替换金属有机框架中的有机连接体，研究人员创造了结构间隙，从而提高了其性能。优化后的催化剂在 170 °C 的水中浸泡 4 小时后，转化了 99.5% 的葡萄糖并产生了 51.7% 的乳酸。使用更稀释的葡萄糖溶液，生产率达到68.7%。该催化剂还可以从玉米中产生乳酸，这表明了一种从可再生生物质中制造这种有用化学品的可能方法。

乳酸用于食品、药品和聚乳酸（一种可生物降解聚合物）的生产。它通常是通过发酵制成的，这需要受控条件并且可能非常耗时，而化学生产可能依赖于化石原材料资源。金属有机框架（MOF）提供了另一种方法，因为它们的多孔结构含有催化反应的金属位点。然而，以前的 MOF 系统从水中的葡萄糖产生乳酸的产率通常较低。将原始生物质转化为乳酸带来了额外的挑战，因为其碳水化合物必须首先可用于转化。

重庆大学王江建团队于 2026 年 9 月 14 日在《可持续碳材料》上发表的一项研究（DOI：10.48130/scm-0026-0027）报告称，在催化剂合成过程中添加水杨酸会产生缺陷，从而提高了葡萄糖酸的产量。

该团队通过用水杨酸替换部分常见的有机连接基制备了一系列MOF-74(Ni)催化剂，然后将它们与未改性的催化剂进行比较。 X射线衍射和显微镜显示，适度的改性保留了基本的骨架结构，尽管颗粒的结晶度和形状发生了变化。 X射线光电子能谱和电子顺磁共振显示改性材料中存在更多氧空位的证据。研究人员将这些缺陷归因于配位键较少的镍位点，这可以促进葡萄糖转化。在使用 10 毫升水中的 100 毫克葡萄糖进行的测试中，最好的催化剂 MOF-74(Ni)-50SA 在 170 °C 下四小时内实现了 99.5% 的葡萄糖转化率和 51.7% 的乳酸产率。将葡萄糖用量减少至 50 毫克，产率增加至 68.7%，表明底物浓度对结果有很大影响。动力学分析发现 MOF-74(Ni)-50SA 的表观活化能为 69.6 kJ/mol，而未改性催化剂的表观活化能为 79.3 kJ/mol。反应中间体的测试表明，改性催化剂主要改善了葡萄糖向随后形成乳酸的化合物的早期转化。它在五个循环的再利用中仍然保持活跃，每个循环中葡萄糖转化率超过 97%，乳酸产率超过 40%，尽管第五个循环中产率下降了约 10%。在单独的原始生物质测试中，玉米在 170 °C 下 4 小时后产生了 62.8% 的乳酸；在这些条件下，松针的产率为 5.6%，在 190 °C 下进行更长时间的反应后，产率为 22.4%。这种差异表明原材料的结构如何影响转化。

研究表明，金属有机骨架键的调节可以产生缺陷，从而改善葡萄糖向乳酸的转化。该催化剂还从原始生物质中产生乳酸，并在五个重复使用周期中保持活性，尽管产量随着时间的推移而下降。与玉米相比，松针的产量较低，这表明松针的营养特性很重要。在评估其实际潜力之前，需要做进一步的工作来测试催化剂在更集中的供应和长期使用过程中的表现。