Heterogeneous Interface Catalysts with Electron Local Exchange toward Highly Selective Oxidation of Biomass Platform Compounds

催化作用 X射线光电子能谱 氧化物 傅里叶变换红外光谱 拉曼光谱 化学 多相催化 无机化学 化学工程 光化学 有机化学 物理 工程类 光学
作者
Zhihao Ren,Yusen Yang,Si-Si Wang,Yiming Niu,Lei Wang,Jaejun Yu,Yingjie Song,Xin Zhang,Bingsen Zhang,Min Wei
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (8): 5665-5677 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05090
摘要

Catalytic oxidation conversion of biomass-derived compounds to high value-added products has aroused intensive research interest. Herein, we report a Co3O4/Co2MnO4 metal oxide composites catalyst prepared from layered double hydroxides precursors, which is featured with a uniformly interdispersed two-phase heterogeneous interface. This sample exhibits an enhanced catalytic performance for the selective oxidation reaction of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid with a yield of 98%. A combination study including high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), X-ray absorption fine structure (XAFS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Raman confirms that a strong electron local exchange interaction occurs at the Co3O4/Co2MnO4 heterogeneous interface with electron transfer from Mn in the spinel to Co in the oxide. Both experimental investigations (quasi-in situ XPS, in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and in situ Raman) and theoretical calculations substantiate that the interfacial metal–oxygen bridge (Co2+–O–Mn4+) serves as an intrinsic active site in determining the reaction pathway: the C═O group in the reactant undergoes activated adsorption at Mn4+, followed by the escape of interfacial lattice oxygen and the oxidation of the aldehyde group to carboxylic acid; subsequently, the O2 molecule undergoes dissociation at the in situ generated oxygen vacancy. This electron local exchange interaction facilitates the mobility of interfacial lattice oxygen, whose universality is demonstrated in catalytic oxidation of other 11 biomass-derived furanoids to the corresponding carboxylic acids.
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