Fe-N Coordination Tunes Lattice Oxygen Mobility in Fe@CN for Selective Oxidation of Crude 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid

化学 氧气 格子(音乐) 选择性 无机化学 材料科学 催化作用 悠氧 结晶学 物理化学 化学工程
作者
Wenlong Jia,Shibo Yang,Tong Sun,Xing Tang,Lincai Peng,Shuliang Yang,Yong Sun
出处
期刊:Green Energy & Environment [KeAi]
标识
DOI:10.1016/j.gee.2026.05.011
摘要

Owing to the scarcity of natural resources, the polyester industries have turned to synthesizing 2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) from 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to replace terephthalic acid for meeting their extensive demands. Achieving efficient oxidation of cheap and available crude-HMF into FDCA presents significant challenges. Herein, a highly dispersed Fe 3 N nanoparticle catalyst anchored on N-doped carbon (Fe@CN) was developed for efficient aerobic oxidation of crude HMF to FDCA, a key renewable alternative to terephthalic acid. The Fe@CN catalyst delivers a 94% FDCA yield with exceptional stability under 150 °C, 3 MPa air, 3 h in aqueous solution, outperforming most non-noble metal catalysts. Structural and mechanistic studies reveal that Fe-N coordination weakens Fe-O bonds and boosts lattice oxygen mobility, accelerating the rate-determining hydroxyl oxidation step via a Mars-van Krevelen mechanism. Preferential adsorption of the HMF hydroxyl group on Lewis acidic Fe 3+ sites direct the dominant pathway through 2,5-diformylfuran (DFF). Dynamic Fe 2+ /Fe 3+ redox cycling and efficient lattice oxygen replenishment at pyridinic-N sites sustain catalytic activity. This work offers a general design principle for low-cost, robust catalysts toward sustainable biomass valorization.
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