化石燃料的過度消耗導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題，包括白色污染、空氣污染和大量的二氧化碳排放。為解決這一問題，可再生綠色生物質(zhì)和生物質(zhì)衍生的化學(xué)品為合成具有高附加值的化學(xué)品和生物燃料提供了有前景的途徑，以替代化石燃料。HMF(5-羥甲基糠醛)是一種呋喃化合物，可以轉(zhuǎn)化為多種高附加值的化合物來替代化石燃料。在一系列由HMF轉(zhuǎn)化的高附加值化學(xué)品中，2,5-呋喃丙二酸(FDCA)是眾多化學(xué)品和呋喃基聚合物的重要中間體。

基于此，中山大學(xué)李曉云等人采用兩步電沉積法，將Ru單原子負(fù)載在NiFe LDH(Ru_0.3/NiFe)上，有效的提高了催化劑的吸附能力。以Ru_0.3/NiFe為催化劑，本文對(duì)其進(jìn)行了5-羥甲基糠醛氧化反應(yīng)(HMFOR)和析氧反應(yīng)(OER)測(cè)試。

為了研究催化劑的電催化活性，本文在1.0 M KOH電解質(zhì)中利用三電極體系對(duì)催化劑進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試。從線性掃描伏安(LSV)曲線得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與NF和NiFe相比，Ru_0.3/NiFe催化劑顯示出最低的起始電位。Ru_0.3/NiFe的低起始電位表明，Ru_0.3/NiFe活性界面上具有增強(qiáng)的M-Oads。

此外，當(dāng)電流密度為10 mA cm^-2時(shí)，Ru_0.3/NiFe催化劑表現(xiàn)出216 mV的OER過電位和61 mV dec^-1的Tafel斜率。與NF(419 mV，111 mV dec^-1)和NiFe(274 mV，86 mV dec^-1)以及其他Ru/NiFe催化劑相比，Ru_0.3/NiFe催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的OER性能。之后，本文繼續(xù)研究了Ru_0.3/NiFe的HMFOR性能。

令人滿意的是，在10 mA cm^-2的電流密度下，Ru_0.3/NiFe的過電位比NiFe和NF分別小64和213。與OER相比，該催化劑在HMFOR中表現(xiàn)出較低的起始電位，而較低的起始電位有利于HMFOR的發(fā)生。總之，本文的測(cè)試結(jié)果表明，第三元素Ru的引入可能對(duì)Ni²⁺和Fe³⁺的電子環(huán)境產(chǎn)生了影響，電子協(xié)同作用可能也有助于提高催化劑的催化活性。

綜上所述，本文提出了一種簡(jiǎn)單的電沉積-陽離子沉積策略來制備雙功能的負(fù)載Ru單原子的NiFe-LDH催化劑。通過一系列的表征可以觀察到，Ru成功地負(fù)載到NiFe-LDH結(jié)構(gòu)中，Ru³⁺周圍的電子云轉(zhuǎn)移到Fe³⁺，Ru³⁺吸引Ni²⁺的電子云，Ru單原子負(fù)載通過調(diào)整電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化催化劑對(duì)HMF的吸附能。NiOOH是一種高級(jí)的Ni²⁺物質(zhì)，在HMF反應(yīng)中發(fā)揮活性物質(zhì)的作用。有趣的是，Ru在HMFOR中促進(jìn)了DFF的形成，從而提高了FDCA的產(chǎn)率。

更加重要的是，本文的密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果表明，Ru負(fù)載引起的催化劑的HMFOR活性的提高與電子結(jié)構(gòu)的改變之間具有明顯的相關(guān)性。Ru原子在晶體表面電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的低配位態(tài)，使得Ru原子成為吸附-OH的最佳位點(diǎn)，從而促進(jìn)電催化產(chǎn)生的FeNiOOH在HMF中捕獲COHO中的質(zhì)子，從而實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移。

總之，本研究不僅介紹了雙功能和高性能單原子電催化劑的新概念，而且為電催化氧化HMF實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和有價(jià)值的生物質(zhì)生產(chǎn)提供了深刻且全面的機(jī)制。

Single-Atoms Ru/NiFe Layered Double Hydroxide Electrocatalyst: Efficient for Oxidation of Selective Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural and Oxygen Evolution Reaction, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123157.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123157.