随着全球能源短缺和环境污染危机的加剧，对可持续、绿色和可再生材料的需求变得日益迫切。这激发了人们对生物质的进一步探索，生物质是石油和煤炭的独特且易于获取的替代品[[1], [2], [3]]。通过平台化合物，可以从生物质中生产出各种高价值化学品[4,5]。因此，最近学术研究中越来越关注从生物质中获得的平台化学品的升级和转化。在众多生物质衍生的平台化合物中，5-羟甲基呋喃（HMF）被认为是生物质资源与能源化工行业之间的重要纽带[6]。
HMF可以通过果糖或葡萄糖的脱水获得。其独特的分子结构使得可以针对性地转化呋喃环、羟甲基和醛基团，从而实现广泛的高价值升级[7]。因此，HMF被普遍认为是可持续生物精炼领域的“沉睡巨人”，这突显了研究HMF潜在应用的重要性[8,9]。通过氢化、氢解、氧化和二聚化等方法，可以生产出化学工业中的许多有价值的二级平台化学品（图1）[10,11]。在HMF电氧化（HMFOR）过程中，主要产物包括2,5-二甲基呋喃（DFF）、5-甲酰基-2-呋喃羧酸（FFCA）、5-羟甲基-2-呋喃羧酸（HMFCA）和2,5-呋喃二羧酸（FDCA）。DFF、HMFCA和FFCA已被用作合成功能性化学品的中间体，在生物医学应用中具有重要意义[[12], [13], [14], [15]]。作为HMF最重要的氧化产物，FDCA被美国能源部列为建立未来绿色化学工业的12种优先化学品之一[16]。通常，用于食品和饮料包装的聚乙烯2,5-呋喃二羧酸（PEF）就是由FDCA制成的[17,18]。通过选择性电还原HMF也可以获得有价值的产品。例如，2,5-二羟甲基四氢呋喃（DHMTHF）和2,5-双（羟甲基）呋喃（DHMF）是合成高性能生物基聚合物和化学中间体的重要前体[19]。2,5-二甲基呋喃（DMF）、5-甲基呋喃醇（MFA）、2,5-己二酮（HD）和5,5'-双（羟甲基）呋喃醇（BHH）都有潜力转化为高能量密度燃料和增值化学品[[20], [21], [22]]。
通常，HMF的转化可以通过热化学或电化学过程实现。热化学方法需要在高温高压下进行，需要贵金属催化剂，反应时间长，并可能造成环境污染[[23], [24], [25], [26]]。相比之下，电催化是一种具有高原子利用率和环境友好性的化学方法，已成为传统热催化的可行且有前景的替代方案。通过在不同条件下调整电流或电压，可以精确控制电化学转化。值得注意的是，环保的可再生水被用作氢源[7,9,27,28]。因此，电化学转化为高效生产生物质衍生平台分子提供了显著的机会，这与可持续能源生成的需求高度契合[29,30]。然而，与相对成熟的HMF热化学转化途径相比，电化学过程涉及更复杂的反应路径和中间体控制问题，这对选择性控制提出了更大的挑战。
本文基于转化途径分析了各种产品的获取方法。通过调整催化剂的活性中心、表面吸附和脱附行为、电解质的pH值以及电解电压，可以有效调控反应路径，从而提高产物的选择性。此外，还可以显著提高反应的能量效率和经济效益。从绿色和可持续的角度来看，含有所需活性位点的异质催化剂比均相催化剂更适合用于生物质转化，因为它们不易腐蚀、易于分离和回收[31]。贵金属催化剂（如Pt和Pd）具有高活性和选择性，但高昂的成本限制了其广泛应用[32]。相比之下，过渡金属催化剂（如Ni、Co和Cu）提供了经济和环境效益以及良好的催化性能。可以通过多种策略进一步优化电催化剂。例如，通过引入第二种金属或杂原子可以修改活性位的电子性质[33]。因此，可以促进快速的质量和电子转移通道的形成。通过构建杂结构和晶体缺陷，可以增强HMF和反应中间体在催化剂表面的吸附，从而暴露更多的活性位点[[34], [35], [36]]。此外，产物选择性的降低与竞争反应的存在高度相关[37]。通过调节施加的电压和电解质的pH值，可以有效抑制竞争反应，从而提高产物的选择性。
本文综述了HMF电化学转化的广泛讨论。详细阐述了HMF的各种高附加值产品，并概述了HMF电催化升级的最新成果，重点介绍了为各种电催化升级产品定制的高效催化剂的性能、能力和局限性。涵盖了电氧化/还原催化剂的反应路径和活性中心的设计。此外，还提供了对HMF电催化升级技术挑战和前景的简要总结和见解。这篇综述为高效电催化剂的战略发展和工业化加速提供了宝贵的指导。
