富含氧空位的Mn–Zr复合氧化物负载钌催化剂在无碱条件下高效催化5-羟甲基呋喃氧化为2,5-呋喃二羧酸

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Oxygen Vacancy-Rich Mn–Zr Composite Oxide-Supported Ruthenium Catalyst for Base-Free Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid with High Productivity

氧空位富集的Mn-Zr复合氧化物载体上，低Ru负载催化剂实现高效HMF氧化为FDCA，3小时内100%转化率，97.5%产率，26.65 mol FDCA·mol?1·h?1生产力，且在10 wt% HMF浓度下仍保持高性能。氧空位促进活性氧物种再生，Mn-O键参与催化循环，为开发高活性生物基酸催化剂提供新策略。

　　

2,5-呋喃二羧酸（FDCA）是可生物降解的替代品之一，有望取代石油衍生的对苯二甲酸（PTA）和己二酸。为了开发具有高FDCA产率的Ru基催化剂，我们设计了一种富含氧空位（O_V）的Mn–Zr复合氧化物作为载体，以实现较低的钌负载量。合成的Ru/Mn₉Zr₁O_Z-VC催化剂在无碱条件下对水中的5-羟甲基呋喃（HMF）进行 aerobic 氧化时表现出创纪录的高产率。在3小时内实现了HMF的完全转化（100%）和97.5%的高FDCA产率，相应的产率为26.65 mol_FDCA·mol_Ru^–1·h^–1。此外，即使在较高的HMF浓度（10 wt%）下，该催化剂仍能保持高产率和高效性，这是首次报道的具有如此优异活性的催化剂。催化剂表征显示，Zr掺杂有效提高了该催化剂中O_V的浓度13.6%。机理研究表明，催化剂中的Ru–O_L–Mn结构至关重要，在HMF氧化过程中，被消耗的活性物种是晶格氧（O_L），而O_V捕获O₂后生成的^·O_{2^–自由基可以补充这些氧。这项工作提供了一种生成富含OV材料的方法，可以有效增强负载型催化剂的催化氧化能力。}