山西煤化所在石墨烯催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面取得新進展

　　2,5-二甲酰基呋喃（DFF）是制備多種化學(xué)品中間體、聚合物材料、藥物、液體燃料等的重要前驅(qū)體，通常通過5-羥甲基糠醛（HMF）選擇性氧化制備。HMF含有多種官能團（C=O，C=C，C-O），是一種重要的生物基平臺化合物，其催化氧化制備DFF反應(yīng)過程主要采用金屬（如Ru、Au，Pt，Pd，Co、V、Cu和Mo等）催化劑，成本較高，且金屬組分易因流失、燒結(jié)和積碳等失活。

　　中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所山西省生物煉制工程技術(shù)研究中心研究員侯相林帶領(lǐng)的研究團隊，提出使用非金屬功能化石墨烯材料作為HMF選擇性氧化的催化劑。利用氧化石墨烯邊緣未成對電子與羧基協(xié)同作用，同時以2,2,6,6-四甲基吡啶氮氧化物（TEMPO）作為共催化劑，以氧氣為氧化劑，在相對溫和的條件下，實現(xiàn)了HMF的高轉(zhuǎn)化 (100%)和DFF的高選擇性(99%) (ACS Catal., 2015, 5, 5636-5646)。

　　利用經(jīng)高溫氨氣熱處理得到的氮摻雜石墨烯材料，通過在石墨烯骨架中引入具有類金屬性質(zhì)的石墨型氮元素，獲得了比氧化石墨烯更高效的催化活性(Catal. Sci. Technol., 2016. DOI: 10.1039/C5CY01149C)。HMF的制備通常需要酸催化糖類化合物脫水來實現(xiàn)，使用果糖為原料一步法制備DFF可以減少反應(yīng)操作，降低原料成本。

　　氧化石墨烯同時具有酸性與氧化還原性能，以果糖為原料，二甲基亞砜作為反應(yīng)溶劑，在適宜的反應(yīng)溫度下（140 oC），通過控制反應(yīng)氣氛，可以使氧化石墨烯選擇性發(fā)揮其酸催化劑與氧化還原催化劑的雙性能，實現(xiàn)果糖一步法制備DFF，DFF的最高收率可達72.5%。氧化石墨烯作為非金屬雙功能催化劑對催化反應(yīng)的理論研究和實際應(yīng)用具有重要意義（Green Chem., 2016, DOI:10.1039/C5GC02794B）。

　　此外，該團隊在氧化石墨烯催化糖類轉(zhuǎn)化制備5-乙氧基甲基糠醛（Green Chem.，2013， 15(9):2379）、果糖脫水制備HMF（ChemCatChem，2014，6,728）、HMF醚化制備5’（氧代-雙（亞甲基））二-糠醛（Catal. Commun.，2015，59,127）等方面也取得了階段性成果。

　　該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）（2012CB215305）、國家自然科學(xué)基金（21403273）和山西省自然科學(xué)基金（2013011010-6）的支持。