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:9
标识
DOI:10.1016/j.gee.2025.01.001
摘要

Concurrent activation of lattice oxygen (O L ) and molecular oxygen (O 2 ) 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 Mn 2 O 3 matrix (0.4%Ru-Mn 2 O 3 ) 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-Mn 2 O 3 (5.4 mmol FDCA ‧g cat -1 ‧h -1 ) is 4.9 times higher than the Mn 2 O 3 . 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 (O v ) in the catalyst, which synergistically weakened the Mn-O bond and promoted the activation of O L . The co-presence of Ru single atoms and O v also promote the adsorption and activation of both O 2 and HMF. Consequently, the dehydrogenation reaction energy barrier of the rate-determining step was reduced via both the O L and chemisorbed O 2 dehydrogenation pathways, thus boosting the catalytic oxidation reactions. The introduction of Ru single atoms into Mn 2 O 3 facilitates the activation of both lattice and molecular oxygen, thus providing an exceptional catalytic activity for the aerobic oxidation of HMF to FDCA. • Single-atom Ru doped Mn 2 O 3 was synthesized by a facile solid-state grinding strategy • 0.4%Ru-Mn 2 O 3 provided an impressive FDCA productivity of 5.4 mmol FDCA ‧g cat -1 ‧h -1 • Ru single atoms and O v promoted the dual activation of O L and O 2 • Ru single atoms and O v reduced the energy barrier for FFCA dehydrogenation
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