传统上，在较为苛刻的反应条件下（140-180 ℃，4 MPa H2），先用Cu-Cr催化剂催化糠醛得到糠醇中间体，然后通过贵金属催化剂催化糠醇加氢得到四氢糠醇。为了简化该加氢反应过程并提高原子可用性，研究人员一直致力于开发新型高效的催化剂，可以直接从糠醛一步制备四氢糠醇。虽然贵金属基催化剂取得了优异的性能，但其高昂的成本和稀缺的储量阻碍了其大规模应用。许多报道表明，金属镍能够同时吸附并活化呋喃环和羰基，从而高选择性的生成四氢糠醇。然而，关于催化剂内在结构（如活性位点以及金属暴露晶面）与反应物分子相互作用的机理仍然缺乏细致的研究。
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部氢电能源材料创新团队深入研究了镍基催化剂中表面氧化镍物种与暴露晶面对反应物糠醛分子与氢气分子的吸附影响，并揭示出表面氧化镍物种与Ni（200）晶面协同活化呋喃环，是糠醛分子全加氢反应能够进行高效转化的关键。作者以二维纳米片自组装的三维花簇状Ni-BDC为自牺牲模板，在不同热处理温度下制备了Ni/C-T催化剂。通过XPS和XAS测试证实了Ni/C-400样品中存在丰富的表面NiO物种。此外，糠醛/糠醇-程序升温脱附实验，结果表明，Ni/C-400样品与反应物具有较强的吸附相互作用，在80 ℃、1 MPa的氢气压力条件下反应4 h，四氢糠醇的产率达到98.5%。通过理论计算表明，表面NiO物种与Ni（200）晶面协同，增强Ni表面与糠醛、糠醇、H2分子间的吸附相互作用。该研究表明，Ni金属微观结构的可控调节对反应物的吸附能力有极其显著的影响，从而影响加氢反应的活性。在该工作中，团队提出和证实了Ni-MOF衍生的镍碳材料的表面氧化镍物种是高效催化糠醛加氢制四氢糠醇的催化活性位点，突破了现有镍基催化剂糠醛加氢的催化活性理论，是非常重要和有意义的成果！
图1 表面NiO物种和Ni（200）晶面相互协同促进糠醛一步转化为四氢糠醇
上述成果以“Highly-dispersed surface NiO species and exposed Ni (200) facets facilitating activation of furan ring for high-efficiency total hydrogenation of furfural”为题，发表在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF：22.1）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部联合培养博士研究生付秋菊为文章的第一作者，赵学波教授、闫理停副教授为文章的共同通讯作者。
本研究得到国家自然科学基金、山东省青年创新团队项目、济南市人才发展专项等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123501