【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】生物質(zhì)作為一種有機(jī)可再生能源，通過高效轉(zhuǎn)化為生物燃料和高值化學(xué)品，能夠顯著推動綠色化學(xué)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。5-羥甲基呋喃(HMF)作為關(guān)鍵的平臺化合物，可通過多種催化過程轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品。其中氫化反應(yīng)不僅能生產(chǎn)可再生燃料，還能用于合成生物基聚合物的單體，這有助于減少對化石燃料的依賴，促進(jìn)可降解塑料和纖維的生產(chǎn)，推動環(huán)境友好材料和能源的應(yīng)用。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非金屬催化團(tuán)隊(duì)張建研究員與淮麗媛副研究員十余年來一直聚焦于生物質(zhì)高值轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)理論研究與工藝開發(fā)。團(tuán)隊(duì)在HMF規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)和高效催化轉(zhuǎn)化為下游高值化學(xué)品方面取得長足進(jìn)步，2024年通過兩項(xiàng)科技成果鑒定/評價，總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。其中在HMF氫化還原方面，團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)調(diào)控氧化鋁載體上的鈀-氧化鎂界面，可有效地選擇性加氫HMF為5-羥甲基四氫糠醛(5-HMTHFF)或完全加氫為2,5-雙(羥甲基)四氫呋喃(BHMTHF)(Appl. Catal. B 2025, 361, 124578)、通過在氧化鈰上構(gòu)建雙金屬位點(diǎn)以增強(qiáng)Cu基催化劑的氫化活性。所制備的Cu100Pd1/CeO2-FA催化劑在選擇性氫化反應(yīng)中表現(xiàn)優(yōu)異，超越傳統(tǒng)催化劑和部分貴金屬催化劑(Appl. Catal. B 2025, 361, 124563)、制備的錳氧化物八面體分子篩(OMS-2)上負(fù)載的鉑催化劑在水相中對HMF的選擇性氫化表現(xiàn)優(yōu)異，BHMF產(chǎn)率高達(dá)97.6%。該反應(yīng)通過水介導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行，確保了不發(fā)生環(huán)氫化或開環(huán)反應(yīng)(Fuel, 2024, 372, 132147)。
 

　　近期，團(tuán)隊(duì)與加州理工學(xué)院的William A. Goddard III院士合作，聚焦單原子催化劑在生物質(zhì)氫化反應(yīng)中的機(jī)理及其在生成生物降解聚合物單體2,5-雙(羥甲基)四氫呋喃(BHMTHF)方面的應(yīng)用。采用從頭計(jì)算分子動力學(xué)(AIMD)與量子力學(xué)(QM)相結(jié)合的方法，揭示了釕(Ru)單原子催化劑的獨(dú)特反應(yīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，Ru單原子催化劑能夠高效解離氫氣，并直接在其活性位點(diǎn)參與生物質(zhì)衍生的2,5-雙(羥甲基)呋喃(BHMF)的環(huán)氫化反應(yīng)，最終生成BHMTHF，反應(yīng)的自由能勢壘僅為0.82 eV。Ru單原子催化劑的特殊性質(zhì)使得氫氣能夠在單個活性位點(diǎn)上快速解離，直接參與反應(yīng)，而無需擴(kuò)散。進(jìn)一步的微動力學(xué)分析表明，在300-550 K的溫度范圍內(nèi)，環(huán)氫化和側(cè)鏈氫解的反應(yīng)速率明顯高于氫化開環(huán)。BHMTHF在300 K和550 K下的選擇性分別達(dá)到98.9%和78.4%(第二產(chǎn)物為5-甲基呋喃(5-MFA))。
 

　　研究不僅強(qiáng)調(diào)了Ru單原子催化劑在以氫氣為氫源的環(huán)氫化反應(yīng)中的卓越有效性，還為設(shè)計(jì)其它生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的單原子催化劑提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，為綠色催化和可再生材料的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
 

　　相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際知名期刊《美國化學(xué)會志》(JACS)上(論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c11551)。寧波材料所淮麗媛副研究員為該論文的第一作者，張建研究員、William A. Goddard III院士為該論文的通訊作者。上述工作得到了區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目(U23A20125)、寧波市自然科學(xué)基金(2023J335)和中國科學(xué)院公派等項(xiàng)目的資助。
 

　　圖1 (a) 不同C-Ru鍵長的結(jié)構(gòu)能量差異；(b) AIMD模擬過程中BHMF的C-Ru鍵長以及H-Ru鍵長(來自H2)隨時間的變化；(c) H2解離過程中H-H鍵隨時間變化的情況；(d) C-Ru鍵長為2.8 Å的構(gòu)型；(e,f) 1.9 ps和3 ps時觀察到的結(jié)構(gòu)
 

　　圖2 (a) BHMTHF、5-MFA和DHO的生成速率比(BHMF濃度100 mM，H2壓力5 MPa)；(b)不同溫度下BHMTHF、5-MFA和DHO的選擇性