近日，化学工程学院生物质化工团队关于生物质平台化合物5-羟甲基糠醛催化氧化制备聚酯单体2,5-呋喃二甲酸方面取得创新突破。相关研究成果以“Strong electronic metal-support interaction between Ru nanoclusters and Fe single atoms enables efficient base-free oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid”为题发表在环境与能源领域国际权威TOP学术期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上（IF=20.2）。昆明理工大学化学工程学院为论文第一完成单位，学院教师刘淮副教授为论文第一作者，彭林才教授为论文通讯作者。

生物质基平台化合物5-羟甲基糠醛（HMF）经过催化氧化可以制备2,5-呋喃二甲酸（FDCA），其具有和石油基对苯二甲酸（TPA）类似的化学结构，因而FDCA可以作为TPA的替代品用于制备可再生的聚酯产品。然而，由于催化氧化HMF制备FDCA涉及多个连续的氧化反应过程，构建无碱环境中高效催化HMF制备FDCA的反应体系仍然具有挑战性。

本研究中，通过电子耦合Ru纳米簇与氮配位的Fe单原子催化剂（Ru/Fe₁-NC），成功构建了富电子的Ru纳米簇。所制备的Ru/Fe₁-NC催化剂对5-羟甲基糠醛（HMF）无碱氧化制备2,5-呋喃二甲酸表现出优异的催化活性（FDCA），实现了高FDCA收率（98.6%）和优异的FDCA生产率（11.7 mol_FDCA‧mol_Ru^–1‧h^–1）。通过催化剂的表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，Ru纳米簇和Fe₁-NC基体之间的强电子-金属-载体相互作用（EMSI）能够形成富含电子的Ru物种，并提高催化剂的供电子能力。这些有助于氧气活化，产生丰富的超氧化物自由基（‧O₂^-）用于氧化反应。此外，强EMSI有利于吸附和活化HMF并降低HMF脱氢的能量势垒，从而加速HMF氧化过程。该催化剂成功地克服了在钌基体系中无碱制备FDCA收率和生产率之间无法兼容的问题。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、云南省基础研究计划项目和云南省“兴滇英才支持计划”青年人才专项等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124994