Hydrothermal Redox Driven Phase and Defect Engineering of MnO2 for Enhanced HMF Oxidation at Ambient Oxygen Pressure

材料科学 热液循环 氧化还原 氧气 相(物质) 化学工程 析氧 环境压力 氧气压力 水热合成 无机化学 电化学 冶金 物理化学 热力学 化学 电极 有机化学 物理 工程类
作者
Beibei Liu,Haolan Liu,Shuzhuang Sun,Zixu Ma,Yuexing Zhang,Renfeng Nie,Jie Fu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (39) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/adfm.202504172
摘要

Abstract Efficient oxidation of biomass‐derived 5‐hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5‐furandicarboxylic acid (FDCA) under low temperature and atmospheric pressure using non‐noble metal catalysts is highly desirable yet challenging. This study employs a temperature‐controlled hydrothermal redox strategy to synthesize a series of MnO 2 nanorods (MnO 2 ‐R) and investigates their catalytic performance in HMF oxidation under ambient oxygen pressure. Results demonstrate that increasing the hydrothermal temperature not only sequentially forms β, α/β, and α phases of MnO 2 , but also continuously enriches oxygen vacancy and Lewis acid. The higher‐defect α‐MnO 2 ‐R, exhibiting a lower Mn─O coordination number, displays a 96.7% FDCA yield and an initial productivity up to 365.5 µmol FDCA g cat −1 h −1 , which are 1.5 times and 2.7 times higher than that of β‐MnO 2 ‐R, respectively. DFT calculations and spectroscopic experiments reveal that high‐temperature drives phase transition also intensifies redox reactions, leading to lower Mn coordination numbers, which result in stronger adsorption energy toward C─O bond, faster superoxide radical generation, and C─O bond oxidation. α‐MnO 2 ‐R exhibits good recyclability and excellent substrate universality toward various aromatic aldehydes/alcohols. This work provides a new perspective on designing efficient oxide catalysts, focusing on coordination/defect reconstruction of metal cations, thus deepening understanding of how to modulate these centers to enhance the catalytic oxidation efficiency.
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