生物质衍生的5-羟甲基糠醛（hmf）氧化为高附加值产品2,5-呋喃二甲酸（fdca）对缓解化石资源的快速消耗意义重大。但传统 hmf 氧化反应常在高温高压下进行，存在能耗高、设备复杂及安全风险等问题。
近期，江苏大学的施伟东、范伟强和王发根设计构建了一种 coal 双金属基电催化剂，并借助 easyxafs 台式 x 射线吸收精细结构谱仪进行 xafs 测试，剖析了催化剂局部原子结构与电子结构。他们揭示了催化剂活化过程中的结构变化及活性位点的形成，阐释了其在 hmf 氧化反应中高效催化性能的根源。所合成的电催化剂有效实现了活性位点与吸附位点的协同作用，达成了 100%的 hmf 转化率和 99.1%的 fdca 产率。
相关成果以“adsorption–activation bifunctional center of al/co-base catalyst for boosting 5-hydroxymethylfurfural oxidation”为题发表于国际期刊《advance energy materials》。
文中所使用的美国easyxafs公司研发的台式 x 射线吸收谱仪系统 easyxafs300 无需同步辐射光源，能在常规实验室环境中进行 xafs 和 xes 的双通道测试，获取可媲美同步辐射光源的高质量谱图，用于分析材料的元素价态、化学键和配位结构等信息，目前已在电池、催化、地质、环境、陶瓷、电磁波材料和核化学等研究领域广泛应用，并助力国内外用户在众多顶级期刊上发表大量优秀科研成果。
在该研究中，作者起初运用 x 射线吸收近边结构（xanes）探究了样品的局部电子结构与化学态。于 co k 边 xanes 光谱里，所有样品均有两个主要特征峰，7709ev 处的峰可归结为 1s 到 3d 电子跃迁，7730ev 处的峰则归因于 1s 到 4p 电子跃迁。
而且，活化前后的 co k 边 xanes 光谱表明，活化后样品里的 co 原子价态高于 2，意味着 co³⁺位点为 hmf 氧化反应的活性位点。
经由扩展 x 射线吸收精细结构（exafs）分析得知，在 co(oh)₂和 al(oh)₃/co(oh)₂样品中，1.47å 处的峰源自 co-o 键，2.42å 处的峰归因于 co-co 键。复合样品的峰强度与配位数降低，说明复合样品中 co 呈不饱和配位，利于暴露更多活性位点。对活化前后的 co k 边谱图进行分析，发现谱峰出现位移，证实样品在活化前后产生了相变。同时，活化前后 co(oh)₂和 al(oh)₃/co(oh)₂的小波变换（wt）等高线图显示样品存在 co-o 和 co-co 配位键，而在 co 箔中仅存在 co-co 配位键。
本工作通过电沉积法成功制备了al(oh)₃/co(oh)₂双功能催化计，并通过电化学活化生成了高价态的co³⁺，该co³⁺可作为hmf氧化的活性位点，而al³⁺则作为吸附位点。这项研究提出并成功实施了一种新的吸附-活化协同增效策略，为hmf电化学氧化提供了新的思路以及解决方法。
来源：tk生物基材料