NiFe Layered Double Hydroxide-Derived Catalysts with Remarkable Selectivity for the Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furanedicarboxylic Acid under Base-Free Conditions

选择性 硫化 催化作用 化学 硫化物 磷化物 有机化学 高分辨率透射电子显微镜 无机化学 化学工程 透射电子显微镜 工程类
作者
De Gao,Feng Han,Geoffrey I. N. Waterhouse,Yan Li,Lili Zhang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (4): 1557-1568 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c06441
摘要

In this work, we report the exciting discovery of inexpensive and durable catalysts for the selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furanedicarboxylic acid (FDCA) under base-free conditions. A nickel-iron layered double hydroxide (NiFe-LDH) precursor was first prepared then subjected to hydrothermal sulfidation with thioacetamide at 120 °C or thermal phosphidation with sodium hypophosphite at 400 °C to produce NiFeS and NiFeP-400 catalysts, respectively. X-ray diffraction (XRD) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) showed these catalysts to contain FeNi 2 S 4 and FeNi 2 P, respectively, as the dominant phases. The catalytic activity of each catalyst was optimized by studying the effect of the solvent, reaction temperature, oxidant, and reaction time on HMF conversions and product distributions. Under optimized conditions (acetonitrile solvent, 120 °C, tert -butanol peroxide as an oxidant, 12 h, respectively), the NiFeS catalyst afforded 100% HMF conversion with an 83.2% FDCA selectivity with the performance of the NiFeP-400 catalyst being almost identical (HMF conversion of 100%; FDCA selectivity of 82.7%). Both catalysts showed excellent stability over five cycles of catalyst tests with the catalysts able to be easily collected after use with a magnet. Based on the experimental findings, the similar reaction mechanisms used are to be proposed for HMF oxidation to FDCA over the two catalysts. Results show that metal sulfide-based and metal phosphide-based catalysts are promising alternatives to traditional noble metal-based catalyst for the valorization of bio-derived HMF.
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