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儀表網 研發快訊】面對日益嚴重的全球環境問題，大力發展可替代石油基化學品的可再生資源，對于實現全球“碳中和”具有重大意義。生物質作為一種兼具能源和資源雙重特征的太陽能承載體，其高效轉化和利用被視為實現“零碳”甚至“負碳”排放的關鍵途徑。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)由于具有與對苯二甲酸相似的共軛剛性環和二酸結構，可用于制備氣體阻隔性能和熱學性能優于石油基聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的生物基聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)。此外，FDCA在醫藥、香料、金屬配位化學方面也有廣泛的應用需求，曾兩度(2004年和2010年)被美國能源部認定為優先發展的代表性生物基平臺分子。
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諶春林研究員十余年來一直聚焦于生物質高值轉化基礎研究與工藝開發。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。在HMF生產方面，2024年4月15日通過中國石油和化學工業聯合會組織的“5-羥甲基糠醛的全混流連續生產關鍵技術”科技成果鑒定，鑒定委員會一致認為：該成果技術指標先進，連續生產工藝實現全流程自動化操作，達到了國際領先水平；在HMF應用方面，2024年9月7日通過中國老科學技術工作者協會農業分會組織的“新型飼料添加劑 5-羥甲基糠醛研發”成果評價，專家組一致認為：該成果達到同類研究的國際先進水平；在HMF電催化氧化方面，通過腐蝕工程(J. Energy Chem., 2024, 92, 1)、構筑異質結(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現了同時高效生產FDCA和綠氫(Chem. Eng. J., 2023, 472, 144877)。
最近，團隊與寧波材料所浙江省數據驅動高安全能源材料及應用重點實驗室黃慶研究員、蘇州大學教授李友兵合作，首次將新型三元層狀碳化物MAX相材料應用于電催化生物質轉化耦合析氫反應中。MAX相材料具有優異的電導率、機械性能和耐高溫等諸多特性，長期作為結構材料被研究和應用，近些年MAX作為功能材料應用開始受到高度關注。研究人員通過結構定制將鈷原子引入MAX相V2SnC材料的A位點，實現了MAX相由結構材料向功能材料的轉變，所獲得的V2(Sn2/3Co1/3)C/NF表現出優異的電催化HMF氧化和析氫(HER)反應活性。在雙電極耦合體系中，產物FDCA的收率可達94.4%。同時，研究還發現HMF可以抑制MAX相表面的氧化重構和析氧競爭反應(OER)。該研究不僅展示了MAX相材料在綠色催化和可持續能源等領域的應用潛力，也為實現生物質高效轉化和清潔能源生產提供了新的催化劑設計方案。研究成果以“Enhanced Single-atom Cobalt Layer in MAX Phase for Biomass Electrooxidation Integrated with Hydrogen Evolution”為題發表在化工領域國際著名期刊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基金(22072170、U23A20125、52202325、12275009)、浙江省自然科學基金(LQ22E020008)、浙江省重點研發項目(2021C03170、2021C03173)、浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃(2022C01236)、浙江省領軍型創新團隊(2019R01003)、寧波市高層次人才項目(2019B10096)和寧波市自然科學基金(2023J352、2023J335)的資助。
MAX相應用于電催化HMF氧化制備FDCA
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