研究总览：围绕有机固废与碳酸盐资源，开展催化功能材料的理性设计、氢键识别与选控以及AI辅助催化研究，构建生物基燃料、绿色化学品以及材料的可持续制备方法和路线，为工业应用提供技术基础与支持。
固相碳基原料低碳催化转化（生物质、塑料、水泥）
1、生物质制氢
生物质高效制氢的关键在于选择性断裂C-H、O-H键并抑制CO与CO2加氢过程，极具挑战性。精准设计廉价金属催化剂，实现温和条件下催化生物质与水耦合制氢。催化剂具有底物普适性，在多种农林固废转化中均表现出较高产氢活性。生命周期评估与经济分析显示该过程碳排放低且具有成本竞争力。
代表性论文：
(1) Xiaoqin Si, Zhitong Zhao, Jiali Chen, Rui Lu, Fang Lu*, Low-Temperature Efficient Hydrogen Production from Raw Biomass on the Ni-Mo Catalyst, ACS Catal., 2022, 12, 10629-10637.https://doi.org/10.1021/acscatal.2c02706
(2) Qian Liu, Xiaoqin Si, Mengjie Li, Zhiwen Ren, Fang Lu*, High hydrogen production from raw biomass via crystal phase regulation of Al2O3 supported Ni catalyst, Renewable Energy, 2025, 250, 12380.https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123380
(3) Wenbin Yu, Xiaoqin Si, Mengjie Li, Zhenggang Liu, Rui Lu*, Fang Lu*, Catalytic conversion of biomass waste to methane without external hydrogen source, Chin. J. Catal., 2025, 71, 246-255. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(24)60237-8
2、有机固废催化转化制低碳天然气
发展农林业、塑料、橡胶等有机固废制天然气技术，可以缓解能源紧张同时解决三农问题，促进废弃物资源化高效利用。设计廉价金属合金催化剂，在氢气气氛下高效断裂生物质原料中的C-C与C-O键，得到符合管道天然气组成标准的气体产物。通过调节合金催化剂组成，驱动生物质与水自供氢反应过程，联产氢气与甲烷。实现了废旧聚烯烃塑料与橡胶中C-C键的深度催化断键，高效产生低碳天然气。
代表性论文：
(1) Xiaoqin Si, Rui Lu, Zhitong Zhao, Xiaofeng Yang, Feng Wang, Huifang Jiang, Xiaolin Luo, Aiqin Wang, Zhaochi Feng, Jie Xu, Fang Lu*, Catalytic production of low-carbon footprint sustainable natural gas, Nat. Commun., 2022, 13, 258. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27919-9
(2) Zhiwen Ren, Xiaoqin Si, Jiali Chen, Xiaobing Li, Fang Lu, Catalytic complete cleavage of C-O and C-C bonds in biomass to natural gas over Ru (0), ACS Catal., 2022, 12, 5549-5558. https://doi.org/10.1021/acscatal.2c00310
(3) Zhiwen Ren, Xiaoqin Si, Qian Liu, Mengjie Li, Hao Chen, Rui Lu, Hongliang Liang, and Fang Lu*, Enhanced catalytic hydrogenolysis of natural rubber to natural gas over Ru/ZrO2 via phase control strategy, Appl. Catal. B-Environ. Energy, 2024, 352, 123988. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123988
(4) Xiaoqin Si, Jiali Chen, Zhengwei Wang, Yue Hu, Zhiwen Ren, Rui Lu, Lu Liu, Jing Zhang, Liwei Pan, Rui Cai*, Fang Lu*, Ni-catalyzed carbon-carbon bonds cleavage of mixed polyolefin plastics waste, J. Energy Chem., 2023, 85, 562-569. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.07.012
3、生物质资源碳氢氧全元素利用
基于多羟基平台化合物的分子重构策略，开发了生物质基芳香聚合物单体的制备新路径。通过调控铼/钼基催化剂结构，选择性调控氢键网络，活化多羟基底物，实现C-O键高效选择性断裂，定向制备含C-C双键/共轭双键结构分子。氢键作用同时调控含羧基双烯体与亲双烯体的Diels-Alder反应，酯化修饰氢键削弱羧基吸电子效应，并提升底物溶解性，促进环加成反应构建六元碳环骨架。
在日化领域，设计制备固体碱催化剂，选择性调控木糖半缩醛氢键连接，高效合成立体选择性羟丙基四氢吡喃三醇。系统研究产物分离、纯化及质控标准，开发全流程工艺，完成吨级中试验证技术可行性。
代表性论文：
(1) Rui Lu, Fang Lu*, Jiazhi Chen, Weiqiang Yu, Qianqian Huang, Junjie Zhang, Jie Xu*, Production of diethyl terephthalate from biomass-derived muconic acid, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 249-253. https://doi.org/10.1002/ange.201509149
(2) Yongxian Niu, Xi Zhang, Wenbin Yu, Han Yin, Rui Lu*, Zhenggang Liu, Fang Lu*, Hydrogen bond regulation to promote the direct production of diosgenin from Dioscorea zingiberensis rhizomes, Chem. Eng. J., 2024, 496, 153903. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153903
(3) Rui Lu*, Hao Chen, Xi Zhang, Songqing Lv, Xiangtao Kong, Xiaoqin Si, Fang Lu*, Crystal facet-dependent upgrading of saccharides over barium peroxide to synthesize C-glycoside ketones, Inorg. Chem. Front., 2024, 11, 5490-5498. https://doi.org/10.1039/D4QI00992D
(4) Han Yin, Xiangtao Kong, Rui Lu*, Xi Zhang, Wenbing Yu, Huifang Jiang, Xuhai Zhu Fang Lu*. Upgrading biomass-derived glycerol into terminal olefins via molybdenum-catalyzed carbon-chain extension, Green Chem., 2025, 27, 6123-6132. https://doi.org/10.1039/D5GC00843C
4、水泥工业低碳流程再造
水泥行业是全球工业碳排放的主要来源之一，约占总排放量的7.5%。传统水泥生产工艺中，核心反应碳酸盐分解产生的碳排放占水泥生产碳排放的60%，由于该过程受热力学与动力学双重制约，其碳排放难题长期难以破解。面向国家“双碳”战略，通过催化反应再造水泥生产工艺，旨在颠覆传统熟料煅烧的碳酸盐分解技术。与刘中民院士和蔡睿研究员团队合作，利用钢铁固废生产催化剂，在甲烷气氛下实现了水泥生产流程的低碳再造与产品升级。新过程揭示了碳酸盐与甲烷直接反应的新路径，相比传统碳酸盐分解，碳排放显著减少80%。
重点研究方向聚焦水泥工业低碳工艺再造：针对碳酸盐分解高碳排放瓶颈，开发还原性气氛下的催化分解技术，有效降低分解温度与能耗；探索生物质甲烷与碳资源替代化石原料，推动水泥生产全链条深度降碳。
代表性论文
(1) Zhenggang Liu, Rui Lu, Yanfu Ma, Yue Hu, Xiaofei Zhang, Yanqing Wang, Wanjun Li, Lan Wang, Mansheng Chu, Rui Cai*, Fang Lu*, Zhongmin Liu, Carbon emission reduction in cement production catalyzed by steel solid waste, Nat. Sci. Rev., 2025, 5, nwaf109. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf109
生物质氢键研究
以生物质氢键识别与选控的研究为核心，深入探究生物质体系中原有的氢键作用，开发了氢键识别的重要测定方法并揭示了其内在科学规律。在此基础上，发展出基于氢键选控的生物质高值化利用新思路，通过实施“裁剪与重构”、“化学修饰”及“诱导活化”等新策略，实现大分子及平台化合物的高效、高选择性转化，有效突破了生物质复杂结构中惰性氢键网络的限制。
代表性论文：
(1) Xiaoqin Si, Rui Lu, Zhitong Zhao, Xiaofeng Yang, Feng Wang, Huifang Jiang, Xiaolin Luo, Aiqin Wang, Zhaochi Feng, Jie Xu, Fang Lu*, Catalytic production of low-carbon footprint sustainable natural gas, Nat. Commun., 2022, 13, 258. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27919-9
(2) Xiaoqin Si, Fang Lu*, Jiazhi Chen, Rui Lu, Qianqian Huang, Huifang Jiang, Esben Taarning, Jie Xu*, A strategy for generating high-quality cellulose and lignin simultaneously from woody biomass, Green Chem., 2017, 19, 4849-4857. https://doi.org/10.1039/c7gc02492d
(3) Rui Lu, Fang Lu*, Jiazhi Chen, Weiqiang Yu, Qianqian Huang, Junjie Zhang, Jie Xu*, Production of diethyl terephthalate from biomass-derived muconic acid, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 249-253.https://doi.org/10.1002/ange.201509149
生物质先进材料
目前的研究成果包括：1) 基于界面增强效应的纳米生物材料在有害物质吸附、结构色构筑以及固液稳定中的应用；2) 基于木质素易缩合，高疏水特性用于聚合物的性能增强填料；3) 基于氢键诱导作用的木质素苯乙烯产物的高效选择性加氢催化体系构建。未来将开展：1) 纳米纤维素产业化制备与应用；2) 纳米甲壳素制备及应用；3) 生物基可降解塑料技术开发；4) 木质素基生物树脂开发。
代表性论文：
(1) Xuhai Zhu, Fuyan Peng, Hui Li, Rongjun Lin, Rui Lu, Fang Lu*, Production of nanochitins via a shell biorefinery process for self-assembly applications as photonic films and Pickering emulsions, Green Chemistry, 2024, 26, 11222-11237. https://doi.org/10.1039/D4GC02680B
(2) Ruizhe Li, Xuhai Zhu, Fuyan Peng, Fang Lu*, Biodegradable, colorless, and odorless PLA/PBAT bioplastics incorporated with corn stover. ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11, 8870−8883. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c00691
(3) Yubao Wang, Xiaoqin Si, Jiali Chen, Zhiwen Ren, Xuhai Zhu, Fang Lu*, Efficient preparation of cellulose nanofibers in high yield using low concentration of organic acid, Asian J. Org. Chem., 2022, 11, e202200407 (1 of 7). https://doi.org/10.1002/ajoc.202200407
AI+催化剂
人工智能是以工程技术手段，将大量简单的处理单元广泛连接构成复杂的网络结构，对生物神经系统的一种抽象、简化和仿真。近期研究成果表明人工智能技术在计算化学的许多子领域也具有广泛应用，包括计算机辅助药物设计、计算结构生物学、量子化学、材料设计和性质预测等。我们的研究目标是以机器学习为基础，搭建数据网络模型，利用自建的数据集加以训练，以实验数据验证不同模型的预测能力。不仅实现了神经网络预测重要化学反应的结果，同时也为反应条件探索与筛选提供了新方法，从而提高了催化反应研究效率。
研究方向
® Diels-Alder反应模型预测
® 加氢反应模型预测
® 生物质组分分离的参数-结构-性能相关性预测
代表性成果
(1) Lei Zhang, Hang Dong, An Lin, Rui Lu, Xuhai Zhu, Min Zhang, Fang Lu*. Efficiency-optimized Diels-Alder reactions based on random forest, Mol. Catal., 2024, 563, 114236. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2024.114236
(2) Lin An, Rui Lu, Xiaolin Luo, Lei Zhang*, Fang Lu*, Sustainable synthesis of functionalized naphthalenedicarboxylic acid from lignocellulose-derived platform chemicals, ACS Sustain. Chem. Eng., 2021, 9, 17096-17102. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c06253
