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The Reaction Mechanism and Rates at Ru Single-Atom Catalysts for Hydrogenation of Biomass BHMF to Produce BHMTHF for Renewable Polymers

化学 催化作用 生物量(生态学) 光化学 机制(生物学) 聚合物 Atom(片上系统) 可再生能源 反应机理 原子经济 有机化学 认识论 电气工程 地质学 工程类 哲学 嵌入式系统 海洋学 计算机科学
作者
Liyuan Huai,Jian Zhang,William A. Goddard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (45): 31251-31263 被引量:10
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11551
摘要

Realizing high selectivity for producing biodegradable 2,5-bis(hydroxymethyl)tetrahydrofuran (BHMTHF) for renewable polymers from 5-hydroxymethylfurfural (HMF) biomass through ring hydrogenation on single-atom catalysts poses a considerable challenge due to the complexity of HMF functional groups and the difficulty of H2 dissociation. We developed a detailed reaction mechanism based on ab initio molecular dynamics (AIMD) and quantum mechanics (QM) to find that Ru single-atom catalysts can simultaneously dissociate H2 and perform the ring hydrogenation of biomass-derived 2,5-bis(hydroxymethyl)furan (BHMF) to produce biodegradable BHMTHF, with a free energy barrier of 0.82 eV. The unique property of Ru single-atom sites enables H2 to dissociate easily on a single active site of Ru to participate directly in the reaction without diffusion. Furthermore, our predicted reaction rate from microkinetic analysis indicates that ring hydrogenation and side-chain hydrogenolysis are much faster than ring-opening hydrogenation over the range of 300–550 K. The product BHMTHF dominates with a selectivity of 98.9% at 300 and 78.4% at 550 K (the second product is 5-methylfurfural (5-MFA)). This study underscores the unique effectiveness of Ru single atoms in ring hydrogenation reactions using H2 as the hydrogen source, offering insights for the design of single-atom catalysts for other biomass reactions.
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