第一作者：天津科技大学硕士生 李俊凯
通讯作者：王冠华，司传领
通讯单位：天津科技大学轻工科学与工程学院，生物基纤维制造技术国家重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，中国轻工业造纸与生物炼制重点实验室
论文DOI：doi.org/10.1021/acscatal.4c04419
单原子催化剂（SACs）由于其高原子利用率和可靠的选择性/稳定性，在生物质平台化学品转化中引起了广泛的关注。本文采用分级木质素衍生碳制备Co单原子催化剂（Co−N/F1），并在温和条件下将5-羟甲基糠醛（HMF）定向氧化为2,5-呋喃二羧酸（FDCA）。基于高官能团（如 Ph−OH 和 COOH）含量的低分子量木质素组分（F1）得到了Co含量提升的Co−N/F1，所制备的催化剂呈现出Co−N
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的结构特征。Co−N/F1在温和的条件（65
o
C，3bar O
2
）下实现了HMF至FDCA的高选择性转化（HMF 转化率为100%，FDCA收率为 99.20%），并且避免了高温下HMF有色副产物的生成。所合成Co单原子催化剂的催化效率优于多数已报道的非贵金属负载催化剂。通过DFT计算表明，Co−N/F1中的Co−N
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位点促进HMF及其醛基中间体上α-C位置的脱氢，进而显著提升了催化效率。此外，由于Co−N
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结构的耐碱性，Co−N/F1具有良好的可重复使用性。
由HMF氧化而成的2,5-呋喃二羧酸（FDCA）被认为是一种非常有前途的生物基化学品，用于在聚酯、聚酰胺、聚氨酯和涂料树脂的生产中替代常用的石油基聚酯单体对苯二甲酸。然而，HMF的定向转化通常需要在较高温度下进行。由于HMF中存在的高反应性基团，这使得HMF及其氧化中间体在高温下易发生有色副反应，大大降低了FDCA理论产率的实现。因此，开发一种在温和条件下能够实现HMF高效稳定转化FDCA的催化剂是生物基平台化合物HMF高效低成本转化FDCA路线的重要挑战。
1) 利用分级木质素制备了具有增强Co负载量的Co-N/F1，克服了木质素异质性对金属活性位点负载和催化剂性能的影响，为木质素的高值化利用提供了新途径。
2) 在温和条件(65
o
C , 3 bar O
2
)下，Co-N/F1实现了HMF到FDCA的定向转化(100% HMF转化率，99.20% FDCA产率)，避免了高温下HMF有色副产物的生成，为生物质衍生平台化学品的转化提供了有效策略。
3) 深入讨论Co-N/F1催化机理，催化剂中的Co-N
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位点促进了HMF及其醛基中间体的α-C位置脱氢，显著提高了催化效率；同时，还因Co-N
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结构的耐碱性赋予了催化剂稳定的可重复使用性。
木质素分级及木质素级分的表征
图1a为分级木质素制备Co−N/Fx (x =1−3) 的合成途径。我们通过两步乙醇分级法，得到三种不同分子量的木质素级分，凝胶渗透色谱(GPC)分析表明，F1级分具有最低的分子量。此外，对木质素级分的官能团进行
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P NMR的定量分析，低分子量木质素F1比高分子量木质素F2、F3含有更高含量的Ph−OH和COOH。因此，与未分级的木质素和其他两种木质素级分相比，以F1为原料，可容纳更多的金属离子在木质素-金属前驱体中，进而可获得金属活性中心更多的单原子催化剂。
图1：(a) 分级木质素制备Co−N/Fx
(x =1−3) 的合成途径。(b) 三种木质素级分的产率和形态。(c) GPC光谱和(d)定量分子量结果。(e) 定量
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P
NMR光谱和（f）三种木质素级分的COOH和−OH含量。
Co−N/Fx
的制备与表征
Co−N/Fx的XRD谱图中没有Co金属衍射峰，这有力地证明了Co原子均匀地分散在Co−N/Fx中。TEM图像显示为薄层结构，没有可见的金属团簇，表明Co分散良好，这与XRD分析一致。此外，ICP-MS结果显示，Co−N/Fx(x=1-3) 的Co负荷分别为3.02、1.86和1.32 wt %。其中Co−N/F1的Co负载最高，这与F1具有最多的官能团含量并能与更多的金属离子结合形成木质素-金属配合物有关，与
31
P NMR光谱的研究结果一致。
图2: Co−N/F1的 (a) TEM、(b)
HAADF-STEM、(c) EDX光谱图。(d) Co−N/Fx (x = 1-3) 的XRD谱图。(e) Co−N/F1的N 1s和 (f) Co 2p XPS光谱。
Co-N/F1 的 N
1s 光谱显示，主要的氮成分包括吡啶氮、Co-N、吡咯氮和石墨氮。Co K-Edge XANES光谱表明，Co−N/F1的吸收能量介于CoO和Co
3
O
4
样品之间。表明Co的氧化态在Co
2+
~ Co
3+
范围内。Co−N/F1的 EXAFS光谱的峰值为1.40 Å，表明第一配位壳Co−N键的存在，并且没有其他明显的高壳峰。此外，根据WT-EXAFS分析显示，Co−N/F1的最大强度约为5.0 Å
−1
，进一步证实存在Co−N配位壳信号。EXAFS的拟合结果显示Co与N的配位数为4.0，对应的键长为1.89±0.02
Å。综上结果为Co-N/F1中不存在钴纳米颗粒或团簇提供了强有力的证据。
图3：(a, b）Co-N/F1、Co-foil、CoO 和 Co
3
O
4
在的XANES光谱和EXAFS结果。(c）Co-N/F1、Co-foil、CoO 和 Co
3
O
4
的WT- EXAFS。Co-N/F1分别在
(d) K空间和
(e) R 空间的 EXAFS 拟合曲线。
Co−N/Fx
在HMF脱氢/氧化过程中的催化性能
Co−N/F1在温和的条件（65
o
C，3bar O
2
）下实现了HMF至FDCA的高选择性转化（HMF 转化率为100%，FDCA 收率为99.20%），并且避免了高温下HMF有色副产物的生成。与之前报道的负载型催化剂相比，Co-N/F1在较低的催化温度下实现了优异的FDCA收率。此外，通过LC-MS分析HMF在高温下的有色副产物，结果发现副反应体系主要涉及HMF和HMFCA之间以及两个HMFCA分子之间的酯化反应，甚至可能涉及HMF与两个HMFCA分子之间的酯化反应。很明显，随着反应温度的升高和反应时间的延长，HMF和中间产物之间很可能发生进一步的交联，形成更复杂有色副产物。
图4：(a）高温（超过 85
°C）下HMF有色副产物的形成机理图。(b)从HMF到FDCA的反应路径图。(c) HMF氧化反应催化剂反应活性的统计数据，包括贵金属/非贵金属催化剂。
催化机理的理论研究
基于DFT计算和实验结果，提出了Co−N/F1的潜在反应机理。最初，HMF的醛侧链在活性位点Co-N
4
和氢氧根离子的作用下，在催化剂表面形成偕二醇中间体。随后，吸附在活性位点表面的氢氧化物离子从偕二醇中间体和醇的O−H和C−H基团中提取H，得到HMFCA和FFCA。最后，与最初的步骤描述过程类似，FFCA的醛基侧链氧化得到FDCA。在此过程中，氧以清除氢氧根离子释放电子的形式间接参与了反应过程。DFT计算表明，NP Co−N/F1对HMF的吸附高于Co−N/F1，但两种吸附过程均为放热过程，对HMF催化过程影响极小。而Co−N/F1在碱性溶液中能更有效地吸附氢氧化物离子，加速HMF中O−H和C−H基团的脱氢。此外，HMF醛基侧链在Co−N/F1和NP Co−N/F1上形成HMFCA的初始脱氢/氧化能垒分别为-0.1和0.33
eV，表明Co−N/F1中的Co−N
4
位点促进了醛中间体α-C脱氢。此外，由于NP Co−N/F1对FDCA的吸附能高于Co−N/F1，必须克服较大能垒才能使FDCA从NP Co−N/F1中解吸。因此，NP Co−N/F1的FDCA产量显著低于Co−N/F1。
图5：(a）Co-N/F1和NP
Co-N/F1的催化剂优化模型。(b) Co−N/F1和NP Co−N/F1对氢氧根离子的吸附能。(c) Co−N/F1和NP Co−N/F1对HMF的吸附能。(d) Co−N/F1和NP Co−N/F1对FDCA的吸附能。(e) HMF脱氢/氧化过程中Co−N/F1和NP Co−N/F1的反应途径及对应能量。
综上所述，本研究使用木质素级分F1获得具有高Co负载的Co-N/F1，由于Co-N/F1中具有更多的Co-N
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活性位点，使其在温和条件下定向将HMF转化为FDCA，且不会产生有色副产物。此外，与NP Co-N/F1相比，Co-N/F1中的Co-N
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位点加速了HMF及其醛基中间体在α-C位的脱氢，并且由于Co-N
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结构对碱性条件的耐受性，赋予了Co-N/F1具有良好的重复使用性。本研究不仅为调节木质素衍生SACs中金属活性中心的密度提供了一种有效策略，而且还对生物质平台化学品的氧化转化提供了有价值的见解。
王冠华
，天津科技大学特聘教授、博导、中国科学院大学博士，生物化工专业，主要研究方向为基于绿色生物质精炼的木质素化学及高值功能利用。以第一或通讯作者在Adv Energy Mater, Nano
Energy, ACS Catal和Chem Eng J等高水平期刊发表论文60余篇， ESI热点/高被引论文8篇，封面论文4篇；授权发明专利12项，主持制订标准1项，先后获批国家自然科学基金面上/青年基金，天津市自然科学基金、中国博士后科学基金等，入选天津市青年人才托举工程，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才，天津市青年科技人才科技成果孵化转化PLUS培育计划，入选2024“年度科学影响力”学者榜单，获天津市优秀青年科技工作者及全国创新创业优秀博士等荣誉称号。
司传领
，天津科技大学教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者发表论文200余篇，授权发明专利40余项。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津科技创新领军人才等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。教研成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
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