催化学报 ›› 2024, Vol. 67: 144-156.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60151-8

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双金属协同催化非ROS介导的5-羟甲基糠醛选择氧化

张美云a,b, 车鹏华a, 马红a(), 刘鑫a, 张树静a, 罗杨a, 徐杰a()   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 大连洁净能源国家实验室, 能源催化转化全国重点实验室, 辽宁大连 116023
    b中国科学院大学, 北京 100049
  • 收稿日期:2024-08-02 接受日期:2024-09-20 出版日期:2024-11-30 发布日期:2024-11-30
  • 通讯作者: 马红,徐杰
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2022YFA1504902);国家自然科学基金(22272172);国家自然科学基金(22072149);国家自然科学基金(21790331)

Dual-metal synergy unlocking ROS-free catalysis for rapid aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural at room temperature

Meiyun Zhanga,b, Penghua Chea, Hong Maa(), Xin Liua, Shujing Zhanga, Yang Luoa, Jie Xua()   

  1. aState Key Laboratory of Catalysis, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2024-08-02 Accepted:2024-09-20 Online:2024-11-30 Published:2024-11-30
  • Contact: Hong Ma, Jie Xu
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2022YFA1504902);National Natural Science Foundation of China(22272172);National Natural Science Foundation of China(22072149);National Natural Science Foundation of China(21790331)

摘要:

分子氧清洁催化氧化制备有机含氧化学品, 在现代化工和能源化学领域具有重要的研究和应用意义. 在生物质资源化利用中, 5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制备可再生聚酯单体2,5-呋喃二甲酸近年备受关注, 有望缓解石油基聚对苯二甲酸乙二醇酯广泛使用所带来的环境问题. 然而, 分子氧活化过程常伴随活性氧物种(ROS)的形成, ROS的复杂性质和难控制性, 会导致产物选择性低、氧化降解以及低碳平衡等问题. 因此, 探索特定活性氧物种的产生与清除机制, 减少ROS的负面影响, 仍然是实现高效高选择性氧化技术的关键挑战.

受到天然酶具有活化分子氧及清除ROS的双重性能启发, 本文报道了一种非ROS介导催化氧化的新方法, 研制出CuCo/N-C双金属纳米催化剂, 通过双金属协同效应在室温下将O2活化成高活性表面过氧物种, 完全清除了体系中游离的ROS, 从而在温和条件下(25-40 °C)以高产率(89.9%-99.5%)将多种羟基化合物催化氧化为相应的有机羧酸. 使用CuCo/N-C催化剂在25 °C和1 MPa O2下反应6 h, 生物质平台分子HMF的转化率>99.8%, 2,5-呋喃二甲酸的选择性达到94.5%. 球差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜等表征表明, Co-N位点和小尺寸Cu2O位点在氮掺杂碳材料表面高度分散. 自由基捕获-电子顺磁共振波谱和紫外-可见光谱与气相色谱-质谱联用等测试结果表明, CuCo双金属在分子氧室温活化中发挥了协同效应. 在水相体系中, Co-N活性位点通过表面富电子特性原位活化O2生成H2O2, Cu2O位点在碱性条件下进一步完全清除原位产生的H2O2及其分解的OH•自由基, 生成高活性的表面过氧化铜物种, 从而获得了高的选择性和碳平衡. 动力学同位素效应研究结果表明, CuCo/N-C获得了6.7的高KIE值(kH(PhCH2OH)/kD(PhCD2OH)), 说明C-H键的H脱除为反应的速控步骤, 这可能与表面过氧化铜物种的形成有关.

综上, 本研究提供了一种新的非ROS介导催化氧化策略, 可以有效地促进室温条件下O2活化产生高活性的表面过氧物种, 清除体系内游离的ROS, 实现了HMF等多种羟基化合物在温和条件下高效高选择性氧化. 该研究提供了生物质资源化利用制备高附加值有机羧酸化学品的新方法, 为设计模拟酶氧化催化剂提供了新思路.

关键词: 生物质, 双金属协同, 分子氧活化, 5-羟甲基糠醛, 非活性氧物种介导, 选择氧化

Abstract:

Clean catalytic oxidation has a broad prospect in the modern chemical engineering and energy chemistry fields. However, unexpected over-oxidation and disruptive degradation are frequently induced by excessive reactive oxygen species (ROS). Herein, we reported a new ROS-free approach to effectively drive O2 to be activated into highly reactive surface peroxo species through enzyme-mimicking mechanism. Benefiting from the dual-metal synergy effect between Cu and Co active sites, ROS (H2O2 and OH) is generated in situ while further scavenged completely into surface peroxo species, which gives rise to very high selectivity and extremely high carbon balance. For example, the CuCo/N-C catalyst affords >99.8% conversion and 94.5% selectivity to 2,5-furanedicarboxylic acid at 25 °C for 6 h in the aerobic oxidation of biomass platform 5-hydroxymethylfurfural. Moreover, it achieved exceptional performance in the oxidation of a variety of hydroxyl compounds to organic acids with high yields (89.9%-99.5%) at a mild temperature (25-40 °C). This exploration introduces an innovative clue for emulating enzyme catalysts, thereby enriching our comprehension and advancement of biologically inspired catalytic oxidations.

Key words: Biomass, Dual metal synergy, Molecular oxygen activation, 5-Hydroxymethylfurfural, Reactive oxygen species free, Selective oxidation