全球正加速迈向循环碳经济，如何将生物质、废塑料两大 “碳宝藏” 温和、高效、高选择性地转化为燃料与高值化学品，成为能源与环境领域的核心命题。近期，中国科学技术大学熊宇杰、龚万兵团队在ENGINEERING Energy发表重磅综述论文，首次以键选择性活化为核心框架，系统梳理生物质与塑料光催化高值化的反应机理、催化策略与发展路径，为理性设计高效光催化体系提供全新理论指引。

1.全新分类范式

突破传统按底物（生物质/塑料）分类的局限，以主导键选择性（C–H活化vsC–C断裂）划分反应路径，揭示跨底物的共性机理。

2.核心机理明确

指出C–H、C–C键选择性活化是决定反应路径与产物选择性的关键，为精准调控提供理论锚点。

3.结构共性揭示

阐明生物质与塑料在聚合链结构、晶态/非晶态共存、C–C/C–H/C–O键组成上的高度相似性，为统一研究奠定基础。

4.设计指导清晰

基于键活化机制，提出光催化剂理性设计策略，指向高选择性、高原子经济性的碳资源循环利用。

结构同源：生物质与塑料的内在相似性

二者虽分属天然/合成聚合物，但本质均为高度聚合链状结构，呈现多尺度分级组织：

生物质：纤维素/半纤维素/木质素复合，氢键构筑微纤结构

塑料：晶区有序堆砌+非晶区链缠结

分子层面：均以C–C、C–H、C–O键为核心骨架，为相似键活化行为提供内在基础

图1.生物质与废塑料的结构相似性示意图

两大主导路径：C–H活化vsC–C断裂

1.C–H键断裂主导的光催化氧化还原耦合

定义：C–H活化为动力学决速步，主导选择性，保留碳骨架，实现官能团转化。

典型应用：

生物质平台分子（糠醇、HMF、木质素模型物）高选择性氧化制羧酸、芳香单体；

PET、PLA、PS等塑料可控解聚，制乙醛酸、丙酮酸、苯甲酸等高值品。

关键策略：单原子催化、异质结界面工程、溶剂调控质子耦合电子转移（PCET）。

代表数据：糠醇氧化制糠酸选择性>99%；木质素解聚产率>90%；PLA转化制丙酮酸选择性 95.9%。

图2.生物质光催化 C–H 活化典型体系与机理

图3.生物质光催化 C–H 活化策略

图4.塑料高值化中光催化 C–H 活化路径与催化策略

2.C–C键断裂主导的光催化氧化还原耦合

定义：C–C断裂为决定碳数分布与产物组成的关键步骤，实现碳骨架重构。

典型应用：

单糖/木质纤维素定向断键制乳酸、甲酸等高值含氧化学品；

PET、PLA、PE、PVC等塑料断链制短链化学品，耦合产氢/CO₂还原。

关键策略：能带调控、活性位点电子结构工程、预处理 - 光催化串联。

代表数据：木糖转化制乳酸产率91.2%；PET光转化产氢速16.1μmol/(h·g)^-¹、CO产率9.5μmol/(h·g)^-¹。

图5.生物质高值化中光催化 C–C 键断裂机理与催化体系

图6.塑料光催化 C–C 键断裂代表性体系

图7.塑料光催化 C–C 键断裂机理路径

预处理：非主导键断裂与可及性提升

预处理以断裂C–O、酯键等非主导键、破坏氢键 / 链缠结为主，提升分散性与反应可及性，不决定最终碳骨架重构路径。

碱处理：断 C–O 与氢键，提升分散

酶水解：选择性断糖苷键，生成可溶性中间体

水热处理：降低结晶度，促进扩散

氧化官能化：引入含氧基团，提升极性与反应性

核心总结

光催化是实现生物质/废塑料温和、高选择性、可持续高值化的核心技术；

键选择性活化（C–H/C–C） 是调控反应路径与产物分布的核心；

以键为中心的统一框架，超越底物分类，为跨体系机理对比与催化剂设计提供新范式。

未来展望

精准键选择性：面向真实原料，实现相似化学键的精准识别与可控断键；

电荷动力学提升：突破光生载流子效率瓶颈，推动太阳能-化学能转化效率达 5%–10%；

面向实际体系：从模型物走向真实废料，开发抗杂质、可放大的连续流光催化体系；

多场耦合强化：光-热/光-电/光-声协同，突破单一光催化局限，提升速率与选择性；

全链条评估：全生命周期分析（LCA）+技术经济分析（TEA），支撑工业化落地。

图8.光催化高值化技术路线图

（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-026-1064-2