Rational Design of a Quasi-Metal–Organic Framework by Ligand Engineering for Efficient Biomass Upgrading

化学 合理设计 生物量(生态学) 配体(生物化学) 金属 生化工程 组合化学 有机化学 环境化学 纳米技术 生物化学 生态学 材料科学 受体 工程类 生物
作者
Ning‐Yu Huang,Bingxian Chu,Di Chen,Bing Shao,Yu‐Tao Zheng,Lei Li,Xinke Xiao,Qiang Xü
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00294
摘要

The electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), a monomer for degradable bioplastic, is a promising strategy for biomass upgrade and yet requires well-designed catalysts with high efficiency and selectivity. Taking advantage of the open metal sites of metal–organic frameworks (MOFs), quasi-MOFs represent viable catalysts, but the poor designability and unpredictable structures hinder their development. In this work, a Ni-based quasi-MOF was rationally designed and synthesized by controlled ligand engineering. Compared to the fully occupied metal clusters in the pristine MOFs, the accessible Ni sites in quasi-MOFs can efficiently convert HMF to FDCA with remarkable Faradaic efficiency (99.2%) and FDCA selectivity (98.3%). In situ characterizations and mechanistic analysis revealed that the open Ni sites created by partial ligand disconnection in quasi-MOFs are critical to the formation of high-valent active species and HMF oxidation. Moreover, serving as the anode in an integrated electrolysis system, such a quasi-MOF can not only reduce the cell voltage for hydrogen generation but also produce high-purity FDCA with good yield, offering a new opportunity for the simultaneous production of high value-added chemicals and sustainable hydrogen.
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