化石燃料的過度消耗導致了嚴重的環(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)衍生的化學品為合成具有高附加值的化學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)化的高附加值化學品中，2,5-呋喃丙二酸(FDCA)是眾多化學品和呋喃基聚合物的重要中間體。

基于此，中山大學李曉云等人采用兩步電沉積法，將Ru單原子負載在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，本文對其進行了5-羥甲基糠醛氧化反應(yīng)(HMFOR)和析氧反應(yīng)(OER)測試。

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催化劑進行了電化學測試。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的M-Oads。

此外，當電流密度為10 mA cm^-2時，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?？傊疚牡臏y試結(jié)果表明，第三元素Ru的引入可能對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，本文提出了一種簡單的電沉積-陽離子沉積策略來制備雙功能的負載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單原子負載通過調(diào)整電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化催化劑對HMF的吸附能。NiOOH是一種高級的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)計算結(jié)果表明，Ru負載引起的催化劑的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)移導致的低配位態(tài)，使得Ru原子成為吸附-OH的最佳位點，從而促進電催化產(chǎn)生的FeNiOOH在HMF中捕獲COHO中的質(zhì)子，從而實現(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實現(xiàn)可持續(xù)和有價值的生物質(zhì)生產(chǎn)提供了深刻且全面的機制。

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.