在全球气候变化加剧和资源短缺的背景下，实现生物质资源的高效利用与低碳化发展已成为推动可持续发展的关键任务。生物质作为地球上最丰富的可再生资源之一，其高效转化利用面临组分复杂、化学键多样性及转化选择性低等技术瓶颈。传统生物质转化工艺依赖高成本氧化剂（如H2O2），且反应选择性差，亟待绿色技术突破。香港科技大学曾超华教授团队以生物质催化转化为核心研究方向，依托多学科交叉创新，为生物质的高值化与低碳化利用提供了系统性解决方案，为绿色化学发展提供了新方案。

生物质选择性氧化是生物精炼和可再生化学品生产的关键步骤，但其多官能团结构常导致反应选择性差、依赖高成本氧化剂等问题。团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表的研究成果“Revealing OH species in situ generated on low-valence Cu sites for selective carbonyl oxidation”，为解决上述挑战提供了核心理论与技术支撑。该研究聚焦生物质分子（如葡萄糖）选择性氧化的核心挑战，提出了一种基于低价态铜（Cu0/Cu+）位点原位生成羟基自由基（*OHads）的创新催化策略，为绿色化学合成和生物质资源高值化利用提供了绿色、高效、可持续的解决方案。

为突破传统生物质转化的技术局限，团队创新性地设计了氮掺杂碳负载的低价态Cu催化剂（Cu/C-N），首次揭示了“空气-水 ”体系中Cu0/Cu+位点原位活化氧气生成界面限域*OHads物种的机制。这一发现突破了传统Mars-van Krevelen（MvK）机制依赖晶格氧转移的局限性，通过精准调控活性氧物种（ROS）的生成路径，实现了特定官能团醛基（C1=O）的高选择性氧化，为生物质分子定向转化提供了新的理论框架。研究表明，氮掺杂通过形成Cu-Nₓ配位结构显著降低Cu的氧化态，增强电子富集性，使O2在Cu0/Cu+位点遵循*O2→*OOH→*OHads路径高效活化。与传统H2O2热分解产生的游离•OHfree不同，Cu/C-N表面限域的*OHads物种优先与葡萄糖C1=O基团发生定向加成（决速步），避免随机攻击其他羟基，从而提升反应选择性。动力学同位素效应进一步证实水分子参与ROS生成，揭示了溶剂-催化剂-底物的三重协同机制。空气替代H2O2可显著降低氧化剂成本，且氮掺杂碳载体具备规模化制备潜力。

曾超华教授在同步辐射设施前参与材料测试工作

研究成果展示了其在多个可持续发展领域的强大潜力，该技术可拓展至纤维素、木质素衍生物等羰基化合物的高值化转化，用于合成医药中间体和可降解材料单体。除绿色化学合成外，该团队同时系统论证了生物质转化碳材料在环境修复领域的应用价值，通过优化热解转化路径制备的功能化碳材料，在污染物控制方面兼具卓越性能与环境友好特性。相关研究结果发表在《Communications Materials》及《Environmental Science & Technology》等国际权威期刊上，从分子设计到工程应用层面系统揭示了生物质转化技术在降低碳排放方面的核心优势，为碳中和目标实现提供了科学依据。

基于低价态铜（Cu0/Cu+）位点原位生成羟基自由基（*OHads）的创新催化机理

科学合理地利用生物质催化转化技术，可在解决生物质转化效率低下问题的同时，推动绿色化学合成、可再生化学品生产及生物质资源高值化利用，为全球低碳经济发展提供一体化解决方案。团队的研究成果不仅为生物质定向转化技术从实验室走向产业化提供了科学范本，也为开发多功能生物质基碳材料方面取得突破性进展。未来，随着技术体系的持续完善，其与生物精炼、清洁能源、环境修复等产业的深度融合，必将为可持续发展开辟更广阔的绿色前景。（李瑞）

生物炭基环境修复材料制备