随着绿色化学和可再生能源技术的发展，将生物质平台分子转化为高附加值化学品已成为当前重要的研究方向。5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种关键的生物质平台分子，可通过电催化HMF氧化反应（HMFOR）转化为2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、2,5-二甲酰基呋喃（DFF）等重要化学品。其中，FDCA被视为石油基对苯二甲酸（PTA）的潜在绿色替代品，在生物基塑料、药物合成和精细化工领域具有广阔的应用前景。与传统的热催化氧化工艺相比，电催化HMFOR因其在温和条件下可实现底物分子的高效转化，可利用可再生电能驱动反应同时避免使用强氧化剂等优势，使其在可再生化学品合成领域展现出巨大潜力。然而，现有的研究表明，在碱性环境下的电催化HMFOR需要有机分子和OHads物种的共同参与，电极表面的HMF和OHads浓度将直接影响HMF氧化过程。此外，在高电流密度条件下HMF的扩散和传质会受到限制，同时大部分催化剂的结构会发生重构，导致活性中心变化，从而难以在高底物浓度的电解液中长期稳定地选择性合成FDCA，严重限制了其进一步发展。因此，如何有效增加催化活性位点，优化有机底物分子HMF和活性OHads的吸附转化行为，在高底物浓度的电解液中实现高活性、高选择性及高稳定性的HMFOR，仍然是该领域亟待解决的关键问题。
近日，厦门大学彭丽/李军教授团队报道了一种Pt纳米颗粒修饰的CuO异质结催化剂（Pt/CuO@CF）用于生物质平台分子HMF的高效转化。研究表明，随着少量Pt纳米颗粒的引入，Pt与CuO间的协同效应有效降低了HMF氧化反应的过电位，反应电流密度得到显著提升（在1.50 V vs. RHE条件下，电流密度较CuO@CF提高2倍）。此外，Pt-CuO异质结界面的构筑以及催化剂电子结构的精准调控，深度优化了底物分子HMF和活性OHads的吸附转化行为，从而在高浓度HMF的电解液中实现了FDCA的高效合成（图1）。
该工作采用金属掺杂的策略成功制备了Pt/CuO@CF异质结催化剂。通过SEM、TEM、Mapping和XRD等表征手段证实了Pt纳米颗粒成功负载于CuO上（图2）。进一步结合XPS和XANES等表征结果揭示了Pt以纳米颗粒的形式负载于CuO表面，并且Pt与CuO载体之间存在强的电子相互作用，具体表现为电子从Pt位点向CuO转移（图3）。
电化学测试结果显示，Pt/CuO@CF异质结催化剂表现出更低的HMF氧化过电位和更高的本征活性。此外，Pt的引入显著提升了电流密度，促进了电子和物质传输，加快了反应动力学（图4）。
电催化HMFOR测试结果表明，得益于引入的Pt位点，Pt/CuO@CF催化剂显示优异的HMF氧化活性。在鲜有报道的高浓度HMF电解液中（如50、75和100 mM HMF），FDCA的选择性（FEFDCA）均保持在95%以上。循环测试、原位拉曼光谱和原位XRD表征结果进一步证实了Pt/CuO@CF具有优异的电化学稳定性和结构稳定性（图5）。
开路电位测试结果表明，Pt/CuO@CF催化剂的内赫姆霍兹层吸附的HMF和反应中间体更多，说明Pt的引入在动力学上有利于底物分子在催化剂表面的吸附。原位红外光谱测试结果显示有机分子和活性OHads物种在Pt/CuO@CF表面的覆盖度明显高于CuO@CF。此外，电化学和Zeta电位测试结果证明Pt的引入有利于OHads的捕获，使Pt/CuO@CF的内赫姆霍兹层可富集更多的OHads，以上结果说明Pt掺杂可以有效提升催化剂对底物分子和活性OHads的本征吸附能力（图6）。
原位电化学阻抗谱分析表明，Pt/CuO@CF异质结催化剂对HMF和OHads表现出优异的吸附和转化能力，从而使其在OER和HMFOR中显示更低的反应电位和更快的催化反应动力学（图7）。
理论计算结果表明，与CuO相比，Pt纳米颗粒修饰可以提升催化剂对HMF和OHads的吸附强度。Pt的引入有效调节了Pt/CuO的电子结构和反应微环境，降低了反应势垒，促进了HMF的高选择性氧化（图8）。这一发现为理解Pt/CuO@CF异质结催化剂的催化机制提供了重要的理论依据，同时也为电催化生物质转化领域催化剂的优化设计提供了新思路。
Adv. Mater., 2025, DOI: 10.1002/adma.202417684
通讯作者简介
彭丽副教授：厦门大学化学化工学院副教授，特任研究员，博士生导师。福建省高层次人才（B类），厦门市高层次人才（B类），获厦门大学南强青年拔尖人才计划支持，主要研究方向为超临界流体应用、多孔材料的绿色可控制备以及CO2转化与利用。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Sci. Adv., Adv. Mater.等期刊上发表论文70余篇，获得“中国科学院优秀博士学位论文”、“北京市优秀毕业生”、“唐敖庆化学奖”等奖项，中国化学会化学热力学与热分析专业委员会青年委员，Science Bulletin、科学通报、Carbon & Hydrogen期刊青年编委。
杨述良教授：厦门大学能源学院教授，博士生导师。入选厦门大学南强青年拔尖人才支持计划A类，获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）资助。主要研究方向为高性能纳米催化剂设计构筑及其催化有机分子绿色转化。在CCS Chem., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Sci. Adv., Chem. Sci. Adv. Mater.等期刊上发表论文80余篇，其中第一作者/通讯作者发表论文39篇。获得“北京市优秀毕业生”、“中国科学院大学优秀毕业生”、“朱李月华优秀博士生”、“中国科学院大学院长优秀奖”、“中国科学院化学研究所所长优秀奖”、“中国科学院化学研究所青年科学奖特别优秀奖”等奖项。
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