寧波材料所在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化方面取得系列新進展
生物質(zhì)資源在能源和化學(xué)品方面所具有的替代傳統(tǒng)石油基產(chǎn)品的自然稟賦，已逐漸受到越來越多的關(guān)注。在生物質(zhì)化學(xué)品方面，催化技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。通過催化轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的平臺化合物作為橋梁，連接了天然生物質(zhì)和下游化學(xué)品，是生物質(zhì)發(fā)展鏈條中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
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隊一直聚焦呋喃類生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化的催化技術(shù)研究與應(yīng)用，在5-羥甲基糠醛（HMF）催化合成、氧化、加氫、醚化、胺化等領(lǐng)域發(fā)表論文50余篇、申請發(fā)明專利90余項（授權(quán)30余件、轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化19件）和軟件著作權(quán)5件，通過2項科技成果鑒定/評價，孵化國家高新技術(shù)企業(yè)1家。
近期，團隊在HMF及衍生物氧化和加氫方面取得系列新進展。在HMF氧化合成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）方面，通過 “絡(luò)合-碳化-酸洗”方法制備了摻氮碳雙功能催化劑，在65 ℃、0.2 MPa氧氣條件下反應(yīng)16小時后可得到100%的HMF轉(zhuǎn)化率和94.4%的FDCA收率，將反應(yīng)溫度降到室溫、施加電流取代氧氣，電解16小時可達到100%的HMF轉(zhuǎn)化率和73.1%的FDCA收率，電催化與熱催化相比具有更低的反應(yīng)活化能和更高的能量利用效率（Catal. Today 2024, 440, 114847）。進一步，采用氮摻雜碳包覆鈷（Co@NC）納米線對比了2,5-呋喃二甲醇（BHMF）氧化反應(yīng)的熱催化和電催化路線，發(fā)現(xiàn)電催化可以有效加快速控步驟即HMFCA的氧化，使目標產(chǎn)物FDCA的收率提升至93.3%（ChemSusChem 2024, e202401422）。采用二氧化鈦為載體負載金納米顆粒（Au/TiO2），發(fā)現(xiàn)在催化劑制備過程中TiO2被高溫氫氣部分還原并包覆Au顆粒，形成高活性界面位點（Au-TiO2-x），產(chǎn)生金屬-載體強相互作用（SMSI）。通過量化界面位點比例及歸一化本征活性，揭示界面位點對BHMF氧化為FDCA的關(guān)鍵作用，為醇類氧化反應(yīng)機制解析及催化劑優(yōu)化提供理論支持（ACS Catal. 2025, 15, 54-62）。此外，通過海水腐蝕工程在泡沫鎳表面生長NiCo水滑石用于電催化氧化HMF，發(fā)現(xiàn)腐蝕制備的電極具有優(yōu)異的催化性能及穩(wěn)定性，F(xiàn)DCA收率和法拉第效率分別可達97.4%和97.3%。通過闡述能帶和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)解析了HMF電氧化的電子傳輸路徑，為理解電催化機理提供了新的視角（Chem. Eng. J. 2024, 502, 158105）。
在HMF加氫方面，通過在氧化鋁載體上調(diào)控鈀-氧化鎂強相互作用程度，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）。此外，通過在氧化鈰上構(gòu)建單原子層厚度的板狀銅團簇以及痕量的鈀單原子位點的雙金屬活性中心，所制備的Cu100Pd1/CeO2-FA催化劑在HMF醛基選擇性加氫反應(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），所制備的錳氧化物八面體分子篩（OMS-2）上負載的鉑催化劑在水相中對HMF的醛基加氫表現(xiàn)出高選擇性（Fuel, 2024, 372, 132147）。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點支持項目（U23A20125）和面上項目（22072170）、寧波市2025科技重大專項（2019B10096）、寧波市自然科學(xué)基金（2023J359、2023J335）等項目的資助。
HMF催化氧化和選擇性加氫體系構(gòu)筑
（高分子與復(fù)合材料實驗室 諶春林）
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