Ru single atoms in Mn2O3 efficiently promote the catalytic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural through dual activation of lattice and molecular oxygen

催化作用 氧气 对偶(语法数字) 分子氧 5-羟甲基糠醛 格子(音乐) 材料科学 双重角色 氧原子 化学 化学工程 光化学 组合化学 分子 有机化学 艺术 工程类 文学类 物理 声学
作者
Pei-Ya Chen,Xinghao Li,Yuhan Liu,Huai Liu,Rui Zhang,Wenlong Jia,Junhua Zhang,Yong Sun,Lincai Peng
出处
期刊:Green Energy & Environment [KeAi]
卷期号:10 (6): 1337-1347 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.gee.2025.01.001
摘要

Concurrent activation of lattice oxygen (OL) and molecular oxygen (O2) is crucial for the efficient catalytic oxidation of biomass-derived molecules over metal oxides. Herein, we report that the introduction of ultralow-loading of Ru single atoms (0.42 wt%) into Mn2O3 matrix (0.4%Ru–Mn2O3) greatly boosts its catalytic activity for the aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). The FDCA productivity over the 0.4%Ru–Mn2O3 (5.4 mmolFDCA gcat−1 h−1) is 4.9 times higher than the Mn2O3. Especially, this FDCA productivity is also significantly higher than that of existing Ru and Mn-based catalysts. Experimental and theoretical investigations discovered that the Ru single atom facilitated the formation of oxygen vacancy (Ov) in the catalyst, which synergistically weakened the Mn–O bond and promoted the activation of OL. The co-presence of Ru single atoms and Ov also promote the adsorption and activation of both O2 and HMF. Consequently, the dehydrogenation reaction energy barrier of the rate-determining step was reduced via both the OL and chemisorbed O2 dehydrogenation pathways, thus boosting the catalytic oxidation reactions.
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