武汉大学武大团队在生物质电催化转化领域取得新进展

（通讯员徐鹏、崔经纬）近日，《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表了武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授、李巍副研究员团队在生物质电化学催化转化领域的最新研究成果。该研究通过缺陷工程策略，成功激活了Co²⁺/Co³⁺氧化还原电对在低电位下的生物质高附加值转化。

论文题目为“Activating Co²⁺/Co³⁺Redox Couple Mediated-Electrooxidation of 5-Hydroxymethyl Furfuryl Under Low Potentials”。武汉大学2023级博士研究生崔经纬为本文的第一作者，邓红兵和李巍为本文共同通讯作者。

在全球推动碳中和与绿色制造的背景下，传统石油基聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）复杂的降解特性及其引发的白色污染促使我们寻求新型生物降解替代品。当前，电化学5-羟甲基糠醛氧化反应（eHMFOR）可在温和条件下合成2,5-呋喃二羧酸（FDCA）——一种生物质来源的高价值聚乙烯呋喃酸酯（PEF）单体，在聚酯制造业中展现巨大潜力。该工艺通过提供更节能的制氢途径，不仅提升了制氢效率，更推动了环保型材料的研发，彰显了eHMFOR在向可持续资源高效经济转型中的重要意义。

eHMFOR的性能主要依赖于过渡金属催化剂中氧化还原电对的活性。在钴基催化剂中，通常认为只有高电位窗口（1.3–1.5 V）的Co³⁺/Co⁴⁺氧化还原电对可有效驱动eHMFOR，而低电位窗口（1.0–1.3 V）的Co²⁺/Co³⁺缺乏催化能力，导致现有钴基催化剂工作电位普遍偏高（＞1.3 V）。为激活Co²⁺/Co³⁺氧化还原电对，缺陷工程尤其是引入氧空位被广泛研究。然而，氧空位在反应过程中易被氧物种填充，引发结构重构，其催化活性往往仍依赖于Co³⁺/Co⁴⁺电对；同时，所形成的V_O-Co³⁺-OH_ads中间体亲电性较弱，难以有效氧化生物质分子。

针对上述挑战，研究团队设计了一种兼具氧空位（V_O）与晶格氟（F）掺杂的F-V_O-CoMoO₄催化剂。该材料通过V_O促进低电位*OH的生成，并借助F原子的强电负性增强关键中间体的亲电性，协同激活了Co²⁺/Co³⁺电对在低电位下的eHMFOR活性。在仅1.15 V的低电位下即可驱动HMF转化为高附加值化学品FDCA，其产率高达95.3%，法拉第效率达96.1%。这一成果突破了传统钴基催化剂的性能瓶颈，为设计高效的生物质电氧化催化剂提供了理论依据。

▲生物质电氧化催化剂设计策略

该研究工作获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费及武汉大学科研公共服务平台的大力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202513396

（编辑：肖珊）