图书馆VIP核科学技术学院龙冉教授与化学与材料科学学院熊宇杰教授、合肥微尺度物质科学国家研究中心龚万兵副研究员合作利用国家同步辐射实验室原位软 X 射线吸收光谱技术（sXAS），成功揭示了光催化生物质增值过程中 Cu 位点在生物质氢化和甲醇氧化反应中的动态演化。成果以“Solar-driven production of renewable chemicals via biomass hydrogenation with green methanol”为题发表于期刊《Nature Communication》上。
生物质作为地球上最大的可再生碳资源，可通过适当的转化途径广泛用于生产可再生燃料和化学品，从而实现更为可持续的发展。该研究报道了一种在 TiO2纳米片上负载具有 Cu1−O4结构的 Cu 单原子催化剂（CuSAs-TiO₂），该催化剂在太阳能驱动下，借助 Cu²⁺/Cu⁺的循环再生过程，以绿色甲醇作为氢供体，对多种木质纤维素生物质衍生平台分子实现加氢增值。同时，研究团队通过原位软 X 射线吸收光谱（in situ sXAS）等先进原位技术，实时捕捉了光催化过程中 Cu 活性位点的动态演化过程。
催化位点动态演化的原位分析。 a，辐照前、辐照后以及暴露于空气后反应溶液颜色变化的数码照片。 b，原位sXAS设施的数码照片。 c，反应室的数码照片。 d，不同条件下CuSAs-TiO2的原位Cu L边sXAS光谱。 e，CuSAs-TiO2在辐照和再生循环过程中的原位EPR光谱。 f，CuSAs-TiO2上Cu位点动态演化的反应过程示意图。 g，CuSAs-TiO2上FAL和甲醇吸附和活化的原位DRIFTS光谱。 h，使用DMPO作为自旋捕获剂的辐照下TiO2和CuSAs-TiO2的原位EPR光谱。
研究团队结合理论计算与实验结果，深入探讨了催化剂的电子结构和反应机理。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员发现Cu单原子与TiO2载体之间的强相互作用不仅促进了光生电荷的分离，还优化了反应中间体的吸附与活化，从而实现了高效的生物质加氢转化。该研究不仅为生物质的高效转化提供了一种绿色、可持续的新途径，同时也为太阳能驱动的化学合成技术发展奠定了坚实的理论与实验基础。这种基于单原子催化剂的太阳能驱动生物质加氢技术，不仅推动了催化剂动态监测技术的进步，还有望在未来的可持续化学工业中发挥重要作用。
核科学技术学院博士研究生陈光宇、合肥微尺度物质科学国家研究中心付岑峰副研究员、国家同步辐射实验室张文华高级工程师为本论文的共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委等相关经费的支持。部分实验获得了图书馆VIP微纳研究与制造中心、图书馆VIP理化科学实验中心、超算中心等平台支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56094-4