第一作者：石兴春
通讯作者：张永超，朱晓东
通讯单位：青岛科技大学
论文DOI：10.1002/aic.70150
近日，青岛科技大学化工学院张永超副教授等在生物质电催化转化领域取得重要进展。研究团队通过简单的焙烧法构建了富含氧空位的FeO/NiO/Ni催化剂，成功实现了5-羟甲基糠醛（HMF）的高效电催化氧化生成高附加值化学品2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。该催化剂在1.5 V（vs. RHE）电位下，HMF转化率达100%，FDCA选择性高达98.6%，法拉第效率达94.1%，性能优于多数已报道的非贵金属催化剂。该研究揭示了氧空位在促进HMF吸附、活化及稳定Ni3+活性位点方面的关键作用，为设计高效稳定的非贵金属电催化剂提供了新思路。相关成果以“Unlocking the role of oxygen vacancies in FeO/NiO/Ni for boosting 5-hydroxymethylfurfural electrooxidation”为题，发表于《AIChE Journal》期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aic.70150
2,5-呋喃二甲酸（FDCA）作为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的生物基替代单体，具有广阔的应用前景。然而，传统热催化合成FDCA过程能耗高、条件苛刻，限制了其绿色可持续发展。电催化HMF氧化反应（HMFOR）因其反应条件温和、能耗低，且可与阴极析氢、二氧化碳还原等反应耦合，成为极具潜力的替代路径。目前，非贵金属催化剂在HMFOR中仍面临活性低、稳定性差、反应机制不明确等挑战。
1. 氧空位型FeO/NiO/Ni催化剂构建
通过Fe掺杂诱导形成氧空位，显著提升催化剂比表面积（205.1 m2/g）并优化电子结构。
2. Ni3+活性位点的形成与稳定机制
Fe掺杂促进电子从Ni向FeO转移，降低Ni3+形成能垒，氧空位进一步稳定Ni3+物种，增强HMF与OH-的吸附。
3. 优异的HMFOR性能与稳定性
在1.5 V电位下实现100% HMF转化率、98.6% FDCA选择性和94.1%的法拉第效率，连续6次循环后仍保持高活性与稳定性。
图：电催化HMFOR性能评估
要点：
1. 高本征活性与反应动力学：加入HMF后，LSV曲线在1.39 V处出现明显电流峰，且FeO/NiO/Ni对应的电流密度远超对比样品；低的Tafel斜率（20.4 mV/dec）表明其具有优异的反应动力学。
2. 高的转化效率：在1.5 V vs. RHE电位下恒压电解，实现了100%的HMF转化率、98.6%的FDCA选择性和94.1%的法拉第效率，性能指标领先。
3. 突出的稳定性与路径选择性：经过6次连续循环测试，催化剂的活性和选择性均能保持；产物分布监测证实反应遵循HMF→HMFCA→FFCA→FDCA路径，无中间体积累。
图：反应机理探究
要点：
1. 原位捕捉关键活性物种：In situ Raman光谱在1.30 V（vs. RHE）的较低电位下捕捉到Ni3+-O的特征峰（476和556 cm-1），且信号强度高，证明HMFOR促进了Ni3+的生成。
2. 证实Ni3+为反应活性中心：通过电位阶跃实验，观察到预先生成的Ni3+在引入HMF后被迅速消耗，直接证明了Ni3+是HMF催化氧化的活性中心。
3. 理论计算揭示能垒降低根源：DFT计算表明，氧空位的存在将整个反应决速步（*HMFCA → *FFCA）的能垒从0.887 eV降低至0.488 eV，从理论上揭示了催化剂高活性的本质原因。
本研究通过Fe掺杂成功构建了富含氧空位的FeO/NiO/Ni催化剂，系统阐明了氧空位在促进HMF吸附、活化及稳定Ni3+活性位点方面的协同机制。该催化剂在HMF电氧化中表现出优异的活性、选择性与稳定性，为生物质资源的高值化利用提供了可行的解决方案。
Shi, X., Zhang, Q., Wu, J., Lu, H., Qin, H., Zhu, X.-D., Gao, J., and Zhang, Y.-C. (2025). Unlocking the role of oxygen vacancies in FeO/NiO/Ni for boosting 5-hydroxymethylfurfural electrooxidation. AIChE J., e70150.
第一作者：石兴春，2023级硕士研究生，导师为张永超副教授，主要研究方向：非贵金属催化剂的设计用于生物质电催化转化。
通讯作者：张永超，2020年博士毕业于天津大学（导师邹吉军教授），随后加入青岛科技大学化工学院，2024年于北京大学郭少军教授课题组从事访问学者研究。研究兴趣为小分子催化转化与反应过程强化。截止目前发表SCI论文60余篇，其中以一作/通讯（共同）作者在Matter、Angew. Chem. Int. Ed.（2）、AIChE J.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.（3）等期刊发表论文40余篇，包括1篇热点论文及6篇高被引论文。主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金等项目。担任Rare Met.、EcoEnergy及Sustain. Chem. Energy Mater.期刊青年编委。
通讯作者：朱晓东，青岛科技大学教授。哈尔滨工业大学学士、硕士、博士，于2007年11月留校任教，2015年遴选为博导，2019年以第三层次人才引进至青岛科技大学。主要从事新型绿色能源、电催化以及新型多维多功能纳米杂化材料等领域的研究。主持国家自然科学基金，山东省泰山学者项目等20余项。在Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、Nano Lett.等国内外知名期刊发表论文120余篇，ESI热点论文1篇，高被引文论文8篇。
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