英文原题：Highly Dispersed Cu⁰-Cuᵟ⁺/MgO-FeOₓ Catalyst for the Synergistic Enhancement of the Hydrogenation of Furfural

作者：Shuaishuai Wang, Lingyu Jia, Shanshan Dang, Mingkun Zhang, Tianliang Lu, Xiang Gao, Weifeng Tu*, Zhenzhou Zhang*

01 论文信息

论文信息

Wang S, Jia L, Dang S, et al. Highly Dispersed Cu⁰-Cuᵟ⁺/MgO-FeOₓ Catalyst for the Synergistic Enhancement of the Hydrogenation of Furfural[J]. Green Carbon, 2024.

论文关键词

FeCuₓMg hydrotalcite；furfural；selective hydrogenation of C=O；Cu⁰-Cuᵟ⁺ active sites；oxygen vacancies

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.09.008

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Highly Dispersed Cu⁰-Cuᵟ⁺/MgO-FeOₓ Catalyst for the Synergistic Enhancement of the Hydrogenation of Furfural

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 郑州大学张振洲教授：高分散Cu⁰-Cuᵟ⁺/MgO-FeOₓ协同加强糠醛加氢

02 背景简介

生物质能作为最具潜力和前途的碳替代能源，如何将其高效转化为燃料和化学品受到了研究者们广泛的关注。糠醛作为由非食用木质纤维素衍生而来的功能化平台化合物，对于其催化加氢反应，Cu基催化剂是最为广泛的催化剂，而金属颗粒尺寸大小及分散度在糠醛加氢反应中起着至关重要的作用。研究表明，基于二维层状双氢氧化物的水滑石结构能够使Cu均匀分散在介孔网络中，同时催化剂中Fe的存在也会对Cu价态变化产生影响，从而调节催化剂选择性加氢性能。

郑州大学张振洲教授团队于Green Carbon上发表了标题为“Highly Dispersed Cu⁰-Cuᵟ⁺/MgO-FeOₓ Catalyst for the Synergistic Enhancement of the Hydrogenation of Furfural”研究论文，该文章研究了基于水滑石结构的FeCuₓMg催化剂对糠醛催化加氢性能的影响，并对可能的反应机理进行了探讨。结果显示，Cu纳米颗粒的分散性及不同Cu物种的比例对催化性能具有关键性的作用，确定了氧空位对糠醛加氢的促进作用和高分散的Cu⁰-Cuᵟ⁺物种作为主要活性位点的作用机制。

03 文章简介

糠醛加氢反应催化性能评价

文章对不同比例下Cu基催化剂加氢性能进行了评价。结果表明，Cu的引入对糠醛的转化率和选择性都有着决定性作用，Cu物种的高分散性和相对较高的Cu⁰-Cuᵟ⁺位点的存在使得反应在诱导期就对糠醛表现出极高的转化率和选择性（图1）。

图1. 不同催化剂的催化加氢性能 Cu的引入对产率的贡献（a）及催化活性（b）

糠醛催化加氢反应机理研究

通过XPS对O1s峰的分析，分别观察到晶格氧和化学吸附氧，这也进一步表明Fe物种在还原过程中产生许多氧空位，从而为Cu⁰-Cuᵟ⁺物种的形成提供了有利条件，另外，CO-DRIFTS分析也显示CO吸附峰产生了红移，这也表明了缺电子Cu物种的形成，进一步验证了氧空位协同Cu⁰-Cuᵟ⁺物种共同促进了糠醛的催化加氢反应（图2）。

图2. O1s XPS光谱（a） FeCu₀.₁₅Mg 的CO-DRIFTS光谱（b）

总结及展望

本工作合成了一系列具有不同Cu负载量的FeCuₓMg催化剂，Cu纳米颗粒的分散性和不同Cu物种的比例都在催化性能中起着至关重要的作用，氧空位的存在对糠醛加氢反应也具有促进作用，阐明了高度分散的Cu⁰-Cuᵟ⁺物种作为主要活性位点，在氧空位的协同作用下，加速了糠醛加氢过程中涉及羟基-烷基中间体的速控步骤。目前，对于Cu基催化剂催化糠醛加氢的反应机理研究仍需进一步探索，在未来，对C=O键选择性氢化活性位点的见解有可能指导高性能催化剂的开发。

04 文章摘要

Abstract

Copper-based catalysts are advantageous for selectively catalyzing the hydrogenation of the C=O bonds in furfural. Nevertheless, debates are ongoing regarding the identification of active sites. FeCuₓMg catalysts were prepared using a hydrotalcite precursor. During the early stages of the reaction, the selective hydrogenation activity of the C=O bond exhibited a volcano-shaped trend with increasing Cu content. FeCu₀.₁₅Mg showed the highest hydrogenation activity among all catalysts examined. In-situ X-ray Diffraction (in-situ XRD), in-situ DRIFT, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and other analytical techniques confirmed that Cu⁰-Cuᵟ⁺ sites assume a predominant role in catalytic reactions. At the optimal Cu/Fe ratio, the oxygen vacancies generated by FeOₓ facilitated the activation of the furfural molecules. The highly dispersed Cu⁰-Cuᵟ⁺ sites served a crucial function in the activation of H₂ and the rapid formation of reaction intermediates, significantly accelerating the reaction rate and process of furfural hydrogenation.

05 作者简介

张振洲 教授

张振洲，郑州大学化工学院学科特聘教授，博士生导师。近年来主要从事COx加氢资源化利用、生物质高值转化、有机高盐废水处理等方面的研究工作，在工业催化剂的设计改性及其催化COx加氢制醇、α-烯烃、芳烃和有机高盐废水处理及稀贵金属提取等方面取得一定进展，近五年相关成果以第一和通讯作者等在Applied Catalysis B，Chemical Science，ACS Catalysis，Journal of Catalysis，Chemical Engineering Journal，Chemical Engineering Science等期刊上发表20余篇，荣获2022年中国商业联合会科学技术奖三等奖。主持国家自然科学面上项目和青年项目，作为项目骨干参与煤炭清洁高效利用国家重点研发计划，主持省部级及企业合作项目10余项。

06 Green Carbon

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