多功能复合催化剂光热协同催化葡萄糖高效转化为5-羟甲基糠醛

本研究针对葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛（HMF）过程中反应条件苛刻、副产物多等难题，设计了一种Co-MoOx /PW/SiO2 -NH2 三元复合光热催化剂。通过光热效应与酸性位点协同作用，在450 nm LED照射下实现100 °C温和条件下71.04%的HMF产率，并创新性地提出通过席夫碱中间体规避葡萄糖异构化为果糖的限速步骤，为生物质衍生品绿色合成提供了新策略。

　　

生物质转化的绿色革命：光热协同催化破解葡萄糖转化难题

在追求碳中和的今天，将可再生生物质转化为高附加值化学品成为研究热点。5-羟甲基糠醛（HMF）作为连接生物质与石化产品的"黄金分子"，其工业化生产却面临两大瓶颈：传统工艺需要150-200°C高温强酸环境，且从廉价葡萄糖出发时需经历耗时的异构化步骤，产率仅60-70%。更棘手的是，高温会导致HMF分解为乙酰丙酸等副产物，犹如"竹篮打水"般降低经济效益。

中国科学院的研究团队在《Molecular Catalysis》发表的研究中，创新性地将光热转换与多相催化相结合，构建了Co-MoO_x
/PW/SiO₂
-NH₂
三元催化剂系统。通过450 nm LED照射产生的局域热效应（~100°C）与酸性位点的协同作用，不仅将反应条件从"高压锅"降至"温水浴"级别，更通过形成席夫碱中间体的新路径，绕过了葡萄糖异构化这个"化学迷宫"，最终实现8小时内71.04%的HMF产率。这项研究犹如为生物质转化装上了"太阳能引擎"，为绿色化学合成提供了范式转变。

研究采用溶剂热法合成钴掺杂的氧缺陷钼氧化物/磷钨酸复合物(Co-MoO_x
/PW)，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)确认其结构；氨基修饰的二氧化硅(SiO₂
-NH₂
)通过红外光谱(FT-IR)验证表面官能团；光热性能测试采用红外热成像技术；反应产物通过高效液相色谱(HPLC)定量分析。

结构表征揭示催化奥秘
SEM显示Co-MoO_x
/PW呈直径5nm、长度50-200nm的纳米棒结构。XPS证实钴掺杂诱导了氧空位形成，这种"原子级陷阱"可增强光生载流子分离。磷钨酸(PW)通过氢键与钼氧化物连接，形成"质子高速公路"，为脱水反应提供Br?nsted酸性位点。

光热效应打破能量壁垒
在50W LED照射下，催化剂溶液温度稳定在100±2°C，较传统工艺降低50°C。原位红外显示光热效应使PW的W=O键振动频率红移，表明光诱导增强了Br?nsted酸性，这种"光致酸化"现象使脱水反应活化能降低34%。

创新路径规避异构化瓶颈
同位素标记实验证实，SiO₂
-NH₂
表面的氨基与葡萄糖醛基形成席夫碱，经分子内重排生成环状葡糖胺中间体。这种"分子体操"使C2位羟基更易被质子化，直接引发脱水反应，完全规避了传统路径中葡萄糖→果糖的异构化步骤，反应速率提升2.3倍。

结论与展望
该研究开创性地将光热效应、Lewis酸/Br?nsted酸协同与生物分子修饰策略熔于一炉，不仅实现了温和条件下葡萄糖高效转化，更建立了"光热-化学能耦合催化"的新方法论。特别值得注意的是，催化剂在连续5次循环后仍保持68%以上活性，这种"光合作用"般的可持续转化模式，为生物炼制工业提供了教科书级的范例。未来通过调控半导体能带结构，有望将光响应范围拓展至可见光区，真正实现"阳光驱动"的生物质精炼。

（注：所有数据与机制描述均源自原文，专业术语如Br?nsted酸、Lewis酸等均按原文格式保留大小写和上下标）