生物质能是重要的可再生能源。5-羟甲基糠醛（HMF）是生物质衍生化学品之一，通过葡萄糖或果糖脱水产生，可用作生产精细化学品、塑料和燃料液体的前体分子。例如，它的氧化产物2,5-呋喃二甲酸（FDCA）可以取代石油基单体对苯二甲酸（PET）来制备可再生的生物基塑料。电化学作为一种绿色高效的方法，为HMF分子的升级转化提供了有效途径。

近日，湖南大学王双印教授（点击查看介绍）团队设计制备了碳层包覆的氮化镍催化剂（Ni₃N@C），包覆的碳层很好地维持了Ni₃N的结构，并调控Ni表面电子分布，调节其催化性能。电化学表征显示它对HMF电氧化有优异的催化性能。他们还首次利用原位和频共振光谱探究了HMF分子的氧化途径。

从LSV曲线中可以看出，相比于OER，其反应过电位减小了220 mV，表明Ni₃N@C对HMF高效的氧化性能。用高效液相色谱(HPLC)定性和定量检测氧化产物，FDCA的产率高达98%左右，且经过六次循环产率均保持稳定。HMF分子氧化成FDCA一般会有两种反应途径，通过HPLC检测到Ni₃N@C催化的反应途径为HMFCA路径。

此外，作者用原位和频共振光谱研究了HMF在Ni₃N@C上的反应途径。在1.05 V至1.25 V的电位下HMF未开始氧化，仅能检测到HMF信号。当电位增加到1.35 V时，HMF的电氧化开始发生，出现了中间产物HMFCA的峰，电位变化到1.45 V之后，开始出现FDCA的信号，这些原位和频共振光谱确认了HMFCA路径。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上.

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Electrochemical Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural on Nickel Nitride/Carbon Nanosheets: Identified Pathway by in Situ Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

Nana Zhang, Yuqin Zou, Li Tao, Wei Chen, Ling Zhou, Zhijuan Liu, Bo Zhou, Gen Huang, Hongzhen Lin, Shuangyin Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908722

导师介绍

王双印

https://www.x-mol.com/university/faculty/10085

（本稿件来自Wiley）