Strategic Metal Doping in MnOx Catalysts Unlocks High-Yield 2,5-Furandicarboxylic Acid Production via Tailored Lattice Oxygen Activity and Oxygen Vacancies

催化作用 氧气 兴奋剂 产量(工程) 金属 材料科学 格子(音乐) 化学 无机化学 化学工程 有机化学 冶金 物理 光电子学 声学 工程类
作者
Qing Liu,Yuan Gong,Jing Zeng,Yinghong Zhao,Jia Lv,Zhicheng Jiang,Changwei Hu,Yingdong Zhou
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (5): 2107-2119 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c09055
摘要

2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA), derived from the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF), is emerging as a viable biomass-based monomer for bioplastic production, offering a sustainable alternative to a petroleum-derived monomer. This study systematically investigates lattice oxygen (OL) activation in Mn-based oxides through doping with transition metals (Ce, Zr, La, and Sm) to enhance the aerobic oxidation of HMF to FDCA. Among the prepared catalysts, Mn6Ce1Ox (Mn/Ce molar ratio of 6), with the highest surface oxygen vacancy (OV) concentration and activated OL, achieved a high FDCA yield of 97.2% with a generation rate of 1520 μmolFDCA gcat–1 h–1 under mild conditions (120 °C, 1 MPa O2, 8 h). Catalyst characterization results revealed that the metal dopants modulated the strength of Mn–O bonds, thereby influencing OL activity and OV concentration. Incorporating Ce ions into the MnOx lattice weakened Mn–O bond strength, enhancing OL mobility and promoting OV formation. This reactive OL, acting as the active oxygen species for HMF oxidation, could be efficiently regenerated via the Mars–van Krevelen mechanism. The abundant OV on Mn6Ce1Ox promoted the adsorption of both O2 and HMF. The synergistic roles of OV and OL contributed to the high activity of this catalyst in converting HMF to FDCA. This study provides critical insights into the strategic regulation of OL activity in Mn-based oxides, offering promising avenues for improving the efficiency and cost-effectiveness of biomass-based chemical production via catalytic oxidation.
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