As our high dependence on the supply of diminishing fossil fuel reserves raise great concerns in its environmental, political and economic consequences, utilization of renewable biomass as an alternative resource has become increasingly important. Along this background, furfural as a building block, offers a promising, rich platform for lignocellulosic biofuels and value-added chemicals. These include 2-methylfuran and 2-methyltetrahydrofuran, furfuryl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol, furan, tetrahydrofuran as well as various cyclo-products (e.g., cyclopentanol, cyclopentanone). The various production routes started from furfural to various fuel additives and chemicals are critically reviewed, and the current technologies for efficient production are identified. Their potential applications as well as the fuel properties of these products are discussed. Challenges and areas that need improvement are also highlighted in the corresponding area. In short, we conduct a comprehensive review of the strategies to produce furfural, new approaches and numerous possibilities to utilize furfural in industrial and laboratory sector for the production of fuel additives and value-added chemicals.

Gamma-valerolactone (GVL), which is accessible from renewable lignocellulosic biomass, has been identified as one of the most promising platforms for the sustainable production of fuels and value-added chemicals. This review aims at recent advances in the catalytic production of GVL from biomass and further upgrading of GVL to fuels as well as value-added chemicals. The first part briefly reviews recent advances for the production of GVL from biomass. The second and third sections critically review and identify current technologies for the efficient production of GVL. The mechanism, different types of advanced homogeneous and heterogeneous catalysts employed have been compared and broadly categorized. Challenges and areas that need improvement are also highlighted in the corresponding area. The fourth section concentrates on potential applications and the upgrading of GVL to fuel additives, diesel fuels and value-added chemicals. The final section offers a summary and future perspective in the field.

In the search of alternative resources to make commodity chemicals and transportation fuels for a low carbon future, lignocellulosic biomass with over 180-billion-ton annual production rate has been identified as a promising feedstock. This review focuses on the state-of-the-art catalytic transformation of lignocellulosic biomass into value-added chemicals and fuels. Following a brief introduction on the structure, major resources and pretreatment methods of lignocellulosic biomass, the catalytic conversion of three main components, i.e., cellulose, hemicellulose and lignin, into various compounds are comprehensively discussed. Either in separate steps or in one-pot, cellulose and hemicellulose are hydrolyzed into sugars and upgraded into oxygen-containing chemicals such as 5-HMF, furfural, polyols, and organic acids, or even nitrogen-containing chemicals such as amino acids. On the other hand, lignin is first depolymerized into phenols, catechols, guaiacols, aldehydes and ketones, and then further transformed into hydrocarbon fuels, bioplastic precursors and bioactive compounds. The review then introduces the transformations of whole biomass via catalytic gasification, catalytic pyrolysis, as well as emerging strategies. Finally, opportunities, challenges and prospective of woody biomass valorization are highlighted.

Developing of active and synergistic system is fundamentally important to rapidly and efficiently remove persistent toxic and hazardous pollutants. Herein, we report a coupling system by integrating sulfate radical-based Fenton-like process with visible light-driven photocatalysis for fast removal of three typical tetracycline antibiotics in water, i.e., tetracycline (TC), chlortetracycline (CTC), and oxytetracycline (OTC), where the newly-designed nanotubes-assembled 3D hierarchical H2-reduced Mn-doped CeO2 microflowers (re-Mn-CeO2 NMs) are developed as efficient Fenton-like photocatalyst for peroxymonosulfate (PMS) activation. The obtained re-Mn-CeO2 NMs samples, featuring large surface area, good visible light response, excellent redox properties, and abundant oxygen vacancy, exhibit appreciable adsorption capacity, remarkable catalytic performance, and favorable stability. Especially, in the optimal reaction system (re-7Mn-CeO2 NMs/PMS/Vis), the degradation efficiencies of TC, CTC, and OTC reach up to 98.6%, 97.4%, and 88.1% only in 10 min of irradiation. All residues can be completely eliminated in 60 min, which is ∼1.1 and 2.0-fold higher than those of Fenton-like reaction and photocatalysis alone, confirming the synergistic effect of Fenton-like process and photocatalysis occurred in the coupling system. Moreover, the possible decomposition pathways, main reactive oxygen species, and reasonable enhanced mechanism for the Fenton-like photocatalytic system are systematically investigated. Our findings highlight that the Fenton-photocatalysis synergy holds great promising for environment remediation, and offer a feasible means to tune the performance of CeO2-based materials especially in Fenton-like photocatalytic oxidation of antibiotics.

Lignocellulosic biomass is a renewable and abundant source that can be used as a replacement for fossil resources in the sustainable production of speciality chemicals and transportation fuels. Over the last several decades, it has been demonstrated that one of the most effective methodology is to converse the high concentration of oxygen functionalized biomass monomers (e.g., cellulose, hemicelluloses) through de-functionalization into levulinic acid (LA) that has low oxygen content, followed by catalytic transformation of LA into fuels and valuable chemicals. This strategy currently seems to be the logical and promising alternative for sustainable development in the context of economic and environmental considerations. Besides, LA has been identified as one of the most promising platform chemicals for the sustainable production of fuels and commodity chemicals. This review is an up-to-date progress of literatures available on the subject of speciality chemicals and fuels derived from biomass through LA platform. The mechanism and current technologies for the production of LA are reviewed and compared. The potential theoretical calculation methods such as ab initio methods and density functional theories to predict the reaction pathway was also commented. The various transformation methods started from LA to speciality chemicals and fuels are critically reviewed. Among the various products, γ-valerolactone, 2-methyltetrahydrofuran and levuinate esters have been identified as promising fuels. The commercial diphenolic acid and delta-aminolevulinic acid have been widely utilized in many areas. The potential applications as well as fuel properties of these products are also discussed.

Selective conversion of renewable sources is necessary for developing energy generation technology and protecting the environment. Herein, this work reports a one-step controllable synthesis of trimetallic NiCoFe-layered double hydroxides (NiCoFe-LDHs) nanosheets (1.36 nm) for both an efficient oxygen evolution reaction (OER) and highly selective oxidation of biomass-derived 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR) into value-added 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). For comparison, two sets of bimetallic NiCo- and NiFe-LDHs were similarly synthesized and evaluated. In the OER process, the optimal NiCoFe-LDHs nanosheets exhibited the lowest necessary overpotential (288 mV) to reach 10 mA cm–2 and the smallest Tafel slope of 92 mV dec–1 compared with NiCo-LDHs (347 mV, 115 mV dec–1) and NiFe-LDHs (303 mV, 108 mV dec–1). The performance was also superior to most previously reported LDHs catalysts. Additionally, NiCoFe-LDHs nanosheets exhibited a much smaller charge transfer resistance (Rct) of 1.0 Ω and a larger Cdl value of 2.62 mF cm–2 compared with NiCo-LDHs (2.1 Ω, 1.94 mF cm–2) and NiFe-LDHs (1.4 Ω, 2.22 mF cm–2), indicating fast catalytic kinetics. Furthermore, the NiCoFe-LDHs nanosheets possessed excellent durability over 10 h, much better than that of NiCo- and NiFe-LDHs. NiCoFe-LDHs catalysts also exhibited high performance in the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to FDCA, which is a key precursor for the sustainable synthesis of polymers (e.g., polyethylene 2,5-furandicarboxylate (PEF)). An ultralow overpotential of 280 mV was required to achieve 20 mA cm–2, nearly 120 mV less than the activity in pure 1.0 M NaOH. The reaction intermediates and products were qualified by liquid chromatography–mass spectroscopy system (LC-MS) and LC, where 95.5% conversion of HMF and 84.9% yield of FDCA were obtained in 1 h. The reaction kinetics and possible pathways were further investigated. As a unique report utilizing trimetallic LDHs catalysts for OER and HMFOR, this study provides a promising perspective for energy conversion and electrocatalytic processing of biomass-derived monomers.

Layered double hydroxide and its derived metal oxides in the transformations of biomass-derived molecules.