中科院化学所刘会贞、张彬和武汉理工大学陈丽华：非贵金属选择性加氢脱羟

中科院化学所刘会贞、张彬和武汉理工大学陈丽华ACS Sustainable Chem. Eng.：非贵金属选择性加氢脱羟

近日，中科院化学所韩布兴院士刘会贞团队和武汉理工大学苏宝连院士陈丽华团队合作以”Non-noble Ni@NbOx Catalyst for Selective Hydrodehydroxylation of 5‑Hydroxymethylfurfural to 5‑Methylfurfural”为题在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》发文，介绍其采用非贵金属选择性加氢脱羟的研究成果。该文刘叶为第一作者，中科院化学所张彬博士、刘会贞研究员和武汉理工大学陈丽华研究员为通讯作者。

关键词：非贵金属催化 选择性加氢脱羟 生物质转化 金属封装 原位红外

     对含有多重不饱和化学键（C=O和C=C）的化合物进行选择性氢化是获取高价值化学品的关键催化过程。5-甲基糠醛 (MF)是一种宝贵和有用的化学品，将5-羟甲基糠醛 (HMF) 催化加氢脱羟直接转化为MF是一种创新且环保的方法。前期的研究主要集中于采用贵金属催化的方式，但贵金属催化一方面是成本较高，另一方面是在制备和长期有效性上还存在缺陷。这些因素都制约了MF的工业化生产。

     为解决这些难题，该技术团队开发了一种非贵金属 Ni@NbOx 催化剂，在氧化铌（NbOx）载体中封装了镍纳米颗粒 (NPs)。尽管HMF的反应体系十分复杂，存在各种转化潜在途径，但这种廉价的 Ni@NbOx 催化剂在对HMF进行催化加氢脱羟直接转化为MF取得了优异的效果。在HMF接近完全转化时，MF选择性达到 91.8%，生产率为 2.7 mmol/gcat/h。此外，即使使用富含 HMF的粗生物质水解物和被各种金属盐污染的 HMF 溶液，Ni@NbOx催化剂也能保持约 70-80% 的 MF 收率。这种直接、广泛、高效的金属封装策略为异相催化中的催化剂设计和制备提供了宝贵的启示。

     该研究通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、电子自旋共振光谱仪(EPR)、CO-探针傅里叶红外红外光谱仪 (CO-FTIRS)、X-射线衍射 (XRD)和X-射线电子能谱（XPS）对Ni@NbOx催化剂基本结构等物理化学性质进行了研究（下图）。

转化过程利用原位漫反射红外光谱仪（in situ FTIRS）对催化剂表面反应进行监控。红外光谱（下图）分析表明在160度氢气条件下， HMF在3500cm-1区域C-OH的吸收峰随着时间增加逐渐变弱直到消失，而在1600cm-1区域C=O的吸收峰基本不变，表明HMF转化为了MF。通过H2/D2同位素动力学效应实验和密度泛函理论（DFT）计算，NbOx 中的 Ni0 是H2解离的活性位点，解离H从Ni0 转移到 NbOx载体上，使得 HMF 的 CH2-OH 键断裂后发生氢化反应，生成 MF。

关于此文章的更多细节请查看原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.4c04684

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     该研究所使用原位红外光谱（in situ FTIR）是采用荧飒光学自主研发生产的具有双通道、双样品腔FOLI10-R-T，配合原位透射池/原位漫反射池测试得到的。FOLI10-R-T（如下图）创新性的为用户提供双腔双检测器配置，用户可以在两腔体内安装不同附件，实验切换时无需频繁更换附件。