面对日益严重的全球环境问题，大力发展可替代石油基化学品的可再生资源，对于实现全球“碳中和”具有重大意义。生物质作为一种兼具能源和资源双重特征的太阳能承载体，其高效转化和利用被视为实现“零碳”甚至“负碳”排放的关键途径。以糖脱水制得的5-羟甲基糠醛（HMF）为原料，通过催化氧化制备的2,5-呋喃二甲酸（FDCA）由于具有与对苯二甲酸相似的共轭刚性环和二酸结构，可用于制备气体阻隔性能和热学性能优于石油基聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的生物基聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）。此外，FDCA在医药、香料、金属配位化学方面也有广泛的应用需求，曾两度（2004年和2010年）被美国能源部认定为优先发展的代表性生物基平台分子。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所非金属催化团队张建研究员与谌春林研究员十余年来一直聚焦于生物质高值转化基础研究与工艺开发。团队在HMF规模化生产技术开发和高效催化转化为下游高值化学品方面取得长足进步。在HMF生产方面，2024年4月15日通过中国石油和化学工业联合会组织的“5-羟甲基糠醛的全混流连续生产关键技术”科技成果鉴定，鉴定委员会一致认为：该成果技术指标先进，连续生产工艺实现全流程自动化操作，达到了国际领先水平；在HMF应用方面，2024年9月7日通过中国老科学技术工作者协会农业分会组织的“新型饲料添加剂 5-羟甲基糠醛研发”成果评价，专家组一致认为：该成果达到同类研究的国际先进水平；在HMF电催化氧化方面，通过腐蚀工程（J. Energy Chem., 2024, 92, 1）、构筑异质结（Chem. Eng. J., 2023, 474, 145905.）、原位硫氧化（Appl. Catal. B, 2022, 307, 121209）、电沉积合金化（Green Chem., 2024, 26, 5377）等方式创制多种高效催化电极，并利用光伏耦合电氧化以自然光为输入能源实现了同时高效生产FDCA和绿氢（Chem. Eng. J., 2023, 472, 144877）。
最近，团队与宁波材料所浙江省数据驱动高安全能源材料及应用重点实验室黄庆研究员、苏州大学教授李友兵合作，首次将新型三元层状碳化物MAX相材料应用于电催化生物质转化耦合析氢反应中。MAX相材料具有优异的电导率、机械性能和耐高温等诸多特性，长期作为结构材料被研究和应用，近些年MAX作为功能材料应用开始受到高度关注。研究人员通过结构定制将钴原子引入MAX相V2SnC材料的A位点，实现了MAX相由结构材料向功能材料的转变，所获得的V2(Sn2/3Co1/3)C/NF表现出优异的电催化HMF氧化和析氢（HER）反应活性。在双电极耦合体系中，产物FDCA的收率可达94.4%。同时，研究还发现HMF可以抑制MAX相表面的氧化重构和析氧竞争反应（OER）。该研究不仅展示了MAX相材料在绿色催化和可持续能源等领域的应用潜力，也为实现生物质高效转化和清洁能源生产提供了新的催化剂设计方案。研究成果以“Enhanced Single-atom Cobalt Layer in MAX Phase for Biomass Electrooxidation Integrated with Hydrogen Evolution”为题发表在化工领域国际著名期刊Chemical Engineering Journal上（2024, 155891, https://doi.org/ 10.1016/j.cej.2024.155891）。
本工作得到了国家自然科学基金（22072170、U23A20125、52202325、12275009）、浙江省自然科学基金（LQ22E020008）、浙江省重点研发项目（2021C03170、2021C03173）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2022C01236）、浙江省领军型创新团队（2019R01003）、宁波市高层次人才项目（2019B10096）和宁波市自然科学基金（2023J352、2023J335）的资助。
MAX相应用于电催化HMF氧化制备FDCA
（高分子与复合材料实验室 朱斌）
【原文链接】宁波材料所在电催化合成呋喃二甲酸方面取得进展 - 首页-中国科学院宁波材料技术与工程研究所 (cas.cn)