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Ligand-Wise Stripping Dictates Metal Ensemble Catalysts for Selective Oxidation of Biomass-Derived 5-Hydroxymethylfurfural

催化作用 化学 选择性 合理设计 羟甲基 串联 产量(工程) 组合化学 活动站点 羧化 金属 剥离(纤维) 氧气 反应机理 热解 碳纤维 无机化学 工作(物理) 化学工程 协同催化 反应中间体 氧化还原
作者
Jin Li,G.S. Wang,Yuanhao Wu,Chuqiao Song,Tairan Pang,Zechao Zhuang,Jiarui Yang,Wenjie Sui,Lili Lin,Dingsheng Wang,Ligang Wang,Chuanling Si
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1007/s40820-026-02118-7
摘要

Abstract Single-atom catalysts (SACs), with their well-defined active sites, demonstrate remarkable selectivity in biomass platform chemical conversions. However, the feature of single active site fails to synergistically regulate the divergent oxidation pathways of multiple functional groups, thereby restricting multi-step reaction efficiency. Herein, a “stepwise N-stripping” strategy is developed via lignin-derived N-doped carbon matrices, which achieves controlled evolution from isolated Co-N 4 single site to multi-scale atomic/cluster Co synergistic sites by precisely modulating the pyrolysis pathways of lignin-Co precursors. Theoretical and experimental evidence elucidates a synergy-enhanced tandem dual-site catalytic mechanism that single Co atoms with Co-N 2 configuration selectively activate aldehyde groups to drive sequential carboxylation (5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid (HMFCA) and 5-formyl-2-furoic acid (FFCA) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)), while Co clusters enhance oxygen activation for accelerated hydroxymethyl oxidation (HMFCA to FFCA). As expected, the optimized Co-N 2 /Co 4 dual-site catalyst achieves 98.76% FDCA yield at 55 °C, surpassing most reported supported metal catalysts, alongside robust cycling stability (6 cycles with > 97% FDCA yield). This work establishes a biomass-tailored paradigm for constructing atomic/cluster hybrid catalysts and unravels the dynamic cooperation mechanism between distinct active sites in multi-step oxidation, advancing the rational design of efficient systems for biomass valorization.
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