Стабильная и рентабельная переработка биомассы становится ключевым направлением устойчивой биоэкономики. Одним из важнейших соединений, получаемых из лигноцеллюлозной биомассы, является 5-гидроксиметилфурфурол (HMF). Это вещество рассматривается как перспективная альтернатива традиционным нефтехимическим платформенным молекулам. Наибольший практический интерес вызывает селективное гидрирование HMF в 2,5-дигидроксиметилфуран (DHMF), который служит исходным сырьем для фармацевтических препаратов, аналогов нуклеозидов и специальных полимеров.
Традиционные методы гидрирования HMF используют термокаталитические процессы, для которых требуются высокие температуры и давление. Это приводит к значительным затратам энергии и создает технологические сложности. Решение проблемы предложила команда под руководством профессора Юй Чэня из Шэньсийского педагогического университета (Китай), опубликовав результаты работы в журнале Chinese Journal of Catalysis.
Исследователи разработали новый каталитический материал — биметаллен Pd3Pt1 (Pd3Pt1 BML), который синтезируется с помощью простой гальванической замещения. Его уникальная двухмерная структура металллена отличается тем, что атомы платины равномерно распределены внутри решетки палладия на атомарном уровне. Такое строение обеспечивает исключительно высокую каталитическую активность и избирательность.
В ходе экспериментов была достигнута фарадеевская эффективность свыше 93%, а селективность по DHMF превысила 66%. Все процессы проводились при мягких (близких к комнатным) условиях, что резко снижает энергопотребление по сравнению с традиционными подходами.
Механизмы высокой эффективности Pd3Pt1 BML были подробно изучены с использованием in-situ рамановской спектроскопии и квантово-химических расчетов (DFT). Спектроскопия показала ослабление адсорбции HMF на палладиевых центрах катализатора. Согласно расчетам, атомарно распределенная платина способствует переносу активного водорода ("hydrogen spillover") и ускоряет гидрирование. Кроме того, платина снижает риск отравления катализатора, ослабляя прочность связи HMF с палладием и одновременно обеспечивая высокую концентрацию активных водородных видов на поверхности.
Инновация заключается и в конфигурации электролизера: используется парный электролиз с одновременным протеканием электрокаталитического гидрирования HMF на катоде и реакции окисления муравьиной кислоты (FAOR) на аноде. Такой подход позволяет избежать кислородовыделительной реакции (OER), которая ранее была «узким местом» из-за низкой скорости и высокого энергопотребления. Электролизер на базе Pd3Pt1 BML || Pd3Pt1 BML показывает плотность тока 10 мА/см² при напряжении ячейки 0,72 В. Это почти на 1 В меньше, чем в системах с анодной OER, что приводит к значительной экономии энергии.
Сочетание синергетических эффектов между палладием и платиной, а также уникальная электронная структура катализатора определяют его выдающуюся активность и избирательность в производстве DHMF из HMF. Работа коллектива профессора Юй Чэня демонстрирует, что новые биметаллические каталитические системы и инновационные схемы электролиза открывают путь к энергоэффективному и экологически чистому синтезу ценных соединений из возобновляемого сырья.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционные методы гидрирования HMF используют термокаталитические процессы, для которых требуются высокие температуры и давление. Это приводит к значительным затратам энергии и создает технологические сложности. Решение проблемы предложила команда под руководством профессора Юй Чэня из Шэньсийского педагогического университета (Китай), опубликовав результаты работы в журнале Chinese Journal of Catalysis.
Исследователи разработали новый каталитический материал — биметаллен Pd3Pt1 (Pd3Pt1 BML), который синтезируется с помощью простой гальванической замещения. Его уникальная двухмерная структура металллена отличается тем, что атомы платины равномерно распределены внутри решетки палладия на атомарном уровне. Такое строение обеспечивает исключительно высокую каталитическую активность и избирательность.
В ходе экспериментов была достигнута фарадеевская эффективность свыше 93%, а селективность по DHMF превысила 66%. Все процессы проводились при мягких (близких к комнатным) условиях, что резко снижает энергопотребление по сравнению с традиционными подходами.
Механизмы высокой эффективности Pd3Pt1 BML были подробно изучены с использованием in-situ рамановской спектроскопии и квантово-химических расчетов (DFT). Спектроскопия показала ослабление адсорбции HMF на палладиевых центрах катализатора. Согласно расчетам, атомарно распределенная платина способствует переносу активного водорода ("hydrogen spillover") и ускоряет гидрирование. Кроме того, платина снижает риск отравления катализатора, ослабляя прочность связи HMF с палладием и одновременно обеспечивая высокую концентрацию активных водородных видов на поверхности.
Инновация заключается и в конфигурации электролизера: используется парный электролиз с одновременным протеканием электрокаталитического гидрирования HMF на катоде и реакции окисления муравьиной кислоты (FAOR) на аноде. Такой подход позволяет избежать кислородовыделительной реакции (OER), которая ранее была «узким местом» из-за низкой скорости и высокого энергопотребления. Электролизер на базе Pd3Pt1 BML || Pd3Pt1 BML показывает плотность тока 10 мА/см² при напряжении ячейки 0,72 В. Это почти на 1 В меньше, чем в системах с анодной OER, что приводит к значительной экономии энергии.
Сочетание синергетических эффектов между палладием и платиной, а также уникальная электронная структура катализатора определяют его выдающуюся активность и избирательность в производстве DHMF из HMF. Работа коллектива профессора Юй Чэня демонстрирует, что новые биметаллические каталитические системы и инновационные схемы электролиза открывают путь к энергоэффективному и экологически чистому синтезу ценных соединений из возобновляемого сырья.