Base-Free Aerobic Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural on a Ru(0) Center in Cooperation with a Co(II)/Co(III) Redox Pair over the One-Pot Synthesized Ru–Co Composites

氧化还原 水解 化学 产量(工程) X射线光电子能谱 溶剂 金属 催化作用 核化学 化学工程 无机化学 有机化学 材料科学 工程类 冶金
作者
Tianyu Gao,Hao Zhang,Chenyuan Hu,Fangli Jing,Wenhao Fang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:59 (39): 17200-17209 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.0c00937
摘要

A novel RuxCoOy(OH) composite catalyst was prepared by the simple one-pot hydrolysis of Ru and Co salts at room temperature in the presence of NaBH4. This catalyst showed promise for aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) under environmentally benign conditions, i.e., using water as the solvent, O2 as the oxidant, and no soluble base additives. Various physicochemical techniques, including ICP-MS, PXRD, DRIFT, TEM, H2-TPR, O2-TPD, XPS, and CO2-TPD, were used to study the catalytic properties that depend on the Ru load. The influence of reaction parameters (i.e., HMF/Ru ratio, O2 pressure, reaction temperature, and time) and the reaction pathway was investigated. HMF oxidation was initiated mainly from the OH group on metallic Ru0 active sites, and the cooperation of the Co(II)/Co(III) redox pair allowed the effective transformation of O2 to reactive lattice oxygen and the regeneration of Ru0 sites. It was shown that the Ru4CoOy(OH) catalyst with an enhanced Ru–Co metal interaction was the most active in giving a 99.9% yield of FDCA at 140 °C and 10 bar of O2 after 18 h, corresponding to a high productivity (3.3 molFDCA molRu–1 h–1) compared to those of Ru-based benchmark catalysts in the literature. Moreover, this catalyst was considerably stable during seven reuses.

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