近日，化學(xué)工程學(xué)院生物質(zhì)化工團隊關(guān)于生物質(zhì)平臺化合物5-羥甲基糠醛催化氧化制備聚酯單體2,5-呋喃二甲酸方面取得創(chuàng)新突破。相關(guān)研究成果以“Strong electronic metal-support interaction between Ru nanoclusters and Fe single atoms enables efficient base-free oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid”為題發(fā)表在環(huán)境與能源領(lǐng)域國際權(quán)威TOP學(xué)術(shù)期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上（IF=20.2）。昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院為論文第一完成單位，學(xué)院教師劉淮副教授為論文第一作者，彭林才教授為論文通訊作者。

生物質(zhì)基平臺化合物5-羥甲基糠醛（HMF）經(jīng)過催化氧化可以制備2,5-呋喃二甲酸（FDCA），其具有和石油基對苯二甲酸（TPA）類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因而FDCA可以作為TPA的替代品用于制備可再生的聚酯產(chǎn)品。然而，由于催化氧化HMF制備FDCA涉及多個連續(xù)的氧化反應(yīng)過程，構(gòu)建無堿環(huán)境中高效催化HMF制備FDCA的反應(yīng)體系仍然具有挑戰(zhàn)性。

本研究中，通過電子耦合Ru納米簇與氮配位的Fe單原子催化劑（Ru/Fe₁-NC），成功構(gòu)建了富電子的Ru納米簇。所制備的Ru/Fe₁-NC催化劑對5-羥甲基糠醛（HMF）無堿氧化制備2,5-呋喃二甲酸表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性（FDCA），實現(xiàn)了高FDCA收率（98.6%）和優(yōu)異的FDCA生產(chǎn)率（11.7 mol_FDCA?mol_Ru^–1?h^–1）。通過催化劑的表征和密度泛函理論（DFT）計算表明，Ru納米簇和Fe₁-NC基體之間的強電子-金屬-載體相互作用（EMSI）能夠形成富含電子的Ru物種，并提高催化劑的供電子能力。這些有助于氧氣活化，產(chǎn)生豐富的超氧化物自由基（?O₂^-）用于氧化反應(yīng)。此外，強EMSI有利于吸附和活化HMF并降低HMF脫氫的能量勢壘，從而加速HMF氧化過程。該催化劑成功地克服了在釕基體系中無堿制備FDCA收率和生產(chǎn)率之間無法兼容的問題。

上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、云南省基礎(chǔ)研究計劃項目和云南省“興滇英才支持計劃”青年人才專項等的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124994