【儀表網 研發快訊】生物質作為一種有機可再生能源，通過高效轉化為生物燃料和高值化學品，能夠顯著推動綠色化學和循環經濟的發展。5-羥甲基呋喃(HMF)作為關鍵的平臺化合物，可通過多種催化過程轉化為高值化學品。其中氫化反應不僅能生產可再生燃料，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，促進可降解塑料和纖維的生產，推動環境友好材料和能源的應用。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所非金屬催化團隊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高值轉化基礎理論研究與工藝開發。團隊在HMF規模化生產技術開發和高效催化轉化為下游高值化學品方面取得長足進步，2024年通過兩項科技成果鑒定/評價，總體達到國際領先水平。其中在HMF氫化還原方面，團隊通過精細調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)、通過在氧化鈰上構建雙金屬位點以增強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中表現優異，超越傳統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)上負載的鉑催化劑在水相中對HMF的選擇性氫化表現優異，BHMF產率高達97.6%。該反應通過水介導機制進行，確保了不發生環氫化或開環反應(Fuel, 2024, 372, 132147)。
 

　　近期，團隊與加州理工學院的William A. Goddard III院士合作，聚焦單原子催化劑在生物質氫化反應中的機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)方面的應用。采用從頭計算分子動力學(AIMD)與量子力學(QM)相結合的方法，揭示了釕(Ru)單原子催化劑的獨特反應機制。研究發現，Ru單原子催化劑能夠高效解離氫氣，并直接在其活性位點參與生物質衍生的2,5-雙(羥甲基)呋喃(BHMF)的環氫化反應，最終生成BHMTHF，反應的自由能勢壘僅為0.82 eV。Ru單原子催化劑的特殊性質使得氫氣能夠在單個活性位點上快速解離，直接參與反應，而無需擴散。進一步的微動力學分析表明，在300-550 K的溫度范圍內，環氫化和側鏈氫解的反應速率明顯高于氫化開環。BHMTHF在300 K和550 K下的選擇性分別達到98.9%和78.4%(第二產物為5-甲基呋喃(5-MFA))。
 

　　研究不僅強調了Ru單原子催化劑在以氫氣為氫源的環氫化反應中的卓越有效性，還為設計其它生物質轉化反應的單原子催化劑提供了重要的理論依據和實踐指導，為綠色催化和可再生材料的開發奠定了基礎。
 

　　相關研究成果已發表在國際知名期刊《美國化學會志》(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。上述工作得到了區域創新發展聯合基金重點支持項目(U23A20125)、寧波市自然科學基金(2023J335)和中國科學院公派等項目的資助。
 

　　圖1 (a) 不同C-Ru鍵長的結構能量差異；(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的構型；(e,f) 1.9 ps和3 ps時觀察到的結構
 

　　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