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Dual-Vacancy-Induced Selective Oxidative Cleavage of Cα–Cβ Bonds for the Electrocatalytic Depolymerization of Lignin

化学 解聚 键裂 木质素 氧化磷酸化 氧化裂解 劈理(地质) 空位缺陷 有机化学 催化作用 结晶学 生物化学 断裂(地质) 工程类 岩土工程
作者
Yulu Yang,Lingyi Kong,Zhongcheng Xia,Yuanqing He,Yafei Li,Shuangyin Wang,Yuqin Zou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (39): 35924-35934 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.5c12841
摘要

The electrocatalytic depolymerization of lignin into phenolic and carboxylic acid compounds presents a promising strategy for biomass valorization via selective C-C/C-O bond cleavage under mild conditions. However, two major challenges hinder its practical implementation: inefficient C-C bond cleavage and excessive overoxidation of the desired phenolic products. Herein, we demonstrate an engineered vacancy-rich nickel hydroxide catalyst (Ni(OH)2-V) that achieves exceptional performance in both Cα-Cβ bond cleavage of β-O-4 lignin linkages and suppression of phenol overoxidation. Through integrated experimental and computational analyses, this study elucidates how the synergistic introduction of cations and oxygen dual-vacancy in Ni(OH)2-V contributes to its enhanced catalytic activity. Specifically, these dual-vacancies (1) significantly enhance the interfacial adsorption of hydroxide ions on the 2-phenoxy-1-phenylethanol (2-PPE) substrate, (2) effectively lower the energy barrier of the rate-determining step (Cα-OH → Cα═O), and (3) promote the timely desorption of phenol, thereby preventing overoxidation. The optimized catalyst achieved complete conversion of 2-PPE, yielding exceptional yields of 85.7% for phenol and 96.5% for benzoic acid at 1.40 V vs the reversible hydrogen electrode (VRHE). These results represent 2.4-fold and 2.3-fold improvements over pristine Ni(OH)2. Furthermore, the practical utility of Ni(OH)2-V was validated through the depolymerization of poplar lignin and corn stover lignin, successfully yielding 14.24 and 19.54 wt % aromatic monomers. This research establishes a dual-vacancy engineering framework for precise lignin bond cleavage and offers crucial insights into the structure-activity relationship of vacancy-rich electrocatalysts for biomass valorization.
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