调控活性氧物种实现5-羟甲基糠醛高效光催化选择性氧化制备2,5-呋喃二甲酸

为解决生物质转化中HMF选择性氧化效率低的问题，研究人员通过FeOx-Au/TiO2催化剂调控活性氧物种（ROS），实现了水溶液中HMF至FDCA的高效转化（98.6%产率），揭示了1O2在反应中的主导作用，为生物基聚合物原料绿色合成提供了新策略。

　　

在化石能源枯竭与环境污染的双重压力下，生物质作为可再生碳中性资源成为化工原料的重要选择。其中5-羟甲基糠醛（HMF）作为关键平台化合物，其氧化产物2,5-呋喃二甲酸（FDCA）可用于生产生物基聚合物，但现有催化体系存在效率低、机理不明等问题。北京化工大学绿色生物制造国家重点实验室的研究团队通过精准调控活性氧物种，开发出高效光催化转化新体系，相关成果发表于《Green Energy》。

研究采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、电子顺磁共振（EPR）和密度泛函理论（DFT）计算等方法，构建了FeO_x-Au/TiO₂复合催化剂。通过瞬态光电流响应和电化学阻抗谱（EIS）证实其优异的光生电荷分离效率，结合自由基捕获实验阐明了反应机制。

3.1 光催化性能评估
FeO_x-Au/TiO₂在可见光照射3小时内实现FDCA产率98.6%，户外自然光下仍保持85.5%产率。动力学分析表明羟基氧化是速率控制步骤（k₂=0.015 min^-1）。

3.2 催化剂表征
AC-HAADF-STEM显示Au纳米颗粒（5.3 nm）与Fe₃O₄均匀分散。XPS证实FeO_x引入使吸附氧（O_ads）含量从10.9%提升至48.3%，促进O₂活化。

3.3 催化机制研究
EPR检测到¹O₂和•O₂^-信号，L-组氨酸捕获实验证实¹O₂在醛基和羟基氧化中起主导作用。DFT计算揭示FeO_x与TiO₂界面存在2.50e电子转移，形成内置电场促进电荷分离。

该研究不仅创制了性能领先的光催化剂，更通过多尺度表征阐明了ROS的调控机制，为生物质高值化利用提供了理论指导。FeO_x修饰策略可拓展至其他选择性氧化体系，推动绿色化学合成技术的发展。