JACS：Ru单原子催化生物质加氢的反应机理

Ru单原子催化生物质加氢的反应机理

从5-羟甲基呋喃甲醛（HMF）生物质作为原料通过选择性转化方式生成生物可降解的2,5-双(羟甲基)四氢呋喃（BHMTHF），能够用于可再生聚合物，但是因为HMF官能团非常复杂、氢气解离非常困难，导致使用单原子催化剂是个挑战。           

有鉴于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所张健研究员、加州理工学院William A. Goddard, III等报道基于从头算分子动力学（AIMD）和量子计算（QM）研究该反应的机理。           

本文要点1）结果表明Ru单原子催化剂能够同时切断H2分子并且对2,5-双(羟甲基)呋喃（BHMF）进行催化开环，生成可生物降解的BHMTHF，该反应步骤的能垒为0.82eV。         

2）Ru单原子具有独特的性质，能够非常方便的切断H2分子参与反应，而且中间体不必迁移。通过微动力学进行理论计算预测结果表明，在300-500K温度，对环的加氢和侧链的氢解反应比开环加氢反应更快速。在300K，BHMTHF的选择性达到98.9%，在500K，BHMTHF的选择性为78.4%。这项研究揭示了Ru单原子在催化加氢催化反应中的独特反应性能，为设计生物质催化转化的单原子催化剂提供帮助。     

参考文献

:Liyuan Huai, Jian Zhang*, and William A. Goddard III*, The Reaction Mechanism and Rates at Ru Single-Atom Catalysts for Hydrogenation of Biomass BHMF to Produce BHMTHF for Renewable Polymers, J. Am. Chem. Soc. 2024

DOI: 10.1021/jacs.4c11551

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11551