Decoupled Molecular Motifs and Supramolecular Dimers for Highly Efficient FDCA Synthesis from Neutral Biomass

化学 超分子化学 组合化学 分子 超分子组装 立体化学 纳米技术 结构母题 生物量(生态学) 光化学 有机化学
作者
Xiaomeng Zhao,Jianhui Sun,Linlu Bai,Fu‐Quan Bai,Meilin Yang,Wei Qin,Zi Wang,Xudong Yan,Haochun Yin,Kai Lang,Yuexing Chen,Junwang Tang,Liqiang Jing
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c03282
摘要

Solar-driven biomass valorization is pivotal for defossilizing the chemical industry. The oxidation of abundant, low-cost 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)─a key monomer for next-generation bioplastics─is a long-sought goal yet hampered by sluggish kinetics, poor selectivity, and alkaline dependency. Here, spatially decoupled catalytic sites are engineered on two-dimensional carbon nitride (CN): covalently grafted cyanamide (CA) motifs at the edges and π–π stacked J-type nickel phthalocyanine (NiPc) dimers on the planes. This design features spatiotemporally cascaded charge transfer and dual-site catalysis, achieving 54- and 160-fold enhancements in the HMF conversion rate and H 2 evolution rate, respectively, versus pristine CN, during HMF reforming in pure water. The FDCA production rate reaches 2.14 mmol g –1 h –1 with 98.2% selectivity, outperforming benchmark systems. Fundamentally, CA motifs steer an ultrafast hole-initiated selective HMF oxidation with a hole transfer rate of 2.4 × 10 10 s –1 (an order of magnitude faster than CN). The resulting long-lived electrons are extracted by the bottom-layer NiPc and transferred via its single Ni atom to the top-layer single Ni atom for proton reduction, with an electron transfer rate of 7.4 × 10 4 s –1 . The asymmetric charge kinetics suppresses charge recombination, yielding a charge transfer efficiency of 98.9%.
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