【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】面對(duì)日益嚴(yán)重的全球環(huán)境問題，大力發(fā)展可替代石油基化學(xué)品的可再生資源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”具有重大意義。生物質(zhì)作為一種兼具能源和資源雙重特征的太陽能承載體，其高效轉(zhuǎn)化和利用被視為實(shí)現(xiàn)“零碳”甚至“負(fù)碳”排放的關(guān)鍵途徑。以糖脫水制得的5-羥甲基糠醛(HMF)為原料，通過催化氧化制備的2,5-呋喃二甲酸(FDCA)由于具有與對(duì)苯二甲酸相似的共軛剛性環(huán)和二酸結(jié)構(gòu)，可用于制備氣體阻隔性能和熱學(xué)性能優(yōu)于石油基聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的生物基聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)。此外，F(xiàn)DCA在醫(yī)藥、香料、金屬配位化學(xué)方面也有廣泛的應(yīng)用需求，曾兩度(2004年和2010年)被美國能源部認(rèn)定為優(yōu)先發(fā)展的代表性生物基平臺(tái)分子。
 

　　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)張建研究員與諶春林研究員十余年來一直聚焦于生物質(zhì)高值轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)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。在HMF生產(chǎn)方面，2024年4月15日通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的“5-羥甲基糠醛的全混流連續(xù)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”科技成果鑒定，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：該成果技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，連續(xù)生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化操作，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平；在HMF應(yīng)用方面，2024年9月7日通過中國老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會(huì)農(nóng)業(yè)分會(huì)組織的“新型飼料添加劑 5-羥甲基糠醛研發(fā)”成果評(píng)價(jià)，專家組一致認(rèn)為：該成果達(dá)到同類研究的國際先進(jìn)水平；在HMF電催化氧化方面，通過腐蝕工程(J. Energy Chem., 2024, 92, 1)、構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)(Chem. Eng. J., 2023, 474, 145905.)、原位硫氧化(Appl. Catal. B, 2022, 307, 121209)、電沉積合金化(Green Chem., 2024, 26, 5377)等方式創(chuàng)制多種高效催化電極，并利用光伏耦合電氧化以自然光為輸入能源實(shí)現(xiàn)了同時(shí)高效生產(chǎn)FDCA和綠氫(Chem. Eng. J., 2023, 472, 144877)。
 

　　最近，團(tuán)隊(duì)與寧波材料所浙江省數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高安全能源材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃慶研究員、蘇州大學(xué)教授李友兵合作，首次將新型三元層狀碳化物MAX相材料應(yīng)用于電催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化耦合析氫反應(yīng)中。MAX相材料具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、機(jī)械性能和耐高溫等諸多特性，長期作為結(jié)構(gòu)材料被研究和應(yīng)用，近些年MAX作為功能材料應(yīng)用開始受到高度關(guān)注。研究人員通過結(jié)構(gòu)定制將鈷原子引入MAX相V2SnC材料的A位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了MAX相由結(jié)構(gòu)材料向功能材料的轉(zhuǎn)變，所獲得的V2(Sn2/3Co1/3)C/NF表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化HMF氧化和析氫(HER)反應(yīng)活性。在雙電極耦合體系中，產(chǎn)物FDCA的收率可達(dá)94.4%。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)HMF可以抑制MAX相表面的氧化重構(gòu)和析氧競爭反應(yīng)(OER)。該研究不僅展示了MAX相材料在綠色催化和可持續(xù)能源等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化和清潔能源生產(chǎn)提供了新的催化劑設(shè)計(jì)方案。研究成果以“Enhanced Single-atom Cobalt Layer in MAX Phase for Biomass Electrooxidation Integrated with Hydrogen Evolution”為題發(fā)表在化工領(lǐng)域國際著名期刊Chemical Engineering Journal上(2024, 155891, https://doi.org/ 10.1016/j.cej.2024.155891)。
 

　　本工作得到了國家自然科學(xué)基金(22072170、U23A20125、52202325、12275009)、浙江省自然科學(xué)基金(LQ22E020008)、浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2021C03170、2021C03173)、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃(2022C01236)、浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2019R01003)、寧波市高層次人才項(xiàng)目(2019B10096)和寧波市自然科學(xué)基金(2023J352、2023J335)的資助。
 

MAX相應(yīng)用于電催化HMF氧化制備FDCA