通过CdS/Ti?C?/T?MXene肖特基异质结实现生物质衍生HMF向FDCA的压电光催化转化

《Fuel》：Piezo-Photocatalytic valorization of Biomass-Derived HMF to FDCA via CdS/Ti 3C 2T x MXene Schottky heterojunctions

高效生物基单体FDCA的合成研究通过CdS/Ti3C2Tx MXene肖特基异质结催化剂实现，在紫外光和超声协同作用下8小时转化率达87.33%，产率70.47%，选择性81%，揭示了异质结增强电荷分离与定向传输的机理。

　　
该研究聚焦于利用新型异质结催化剂提升木质素水解产物5-羟甲基糠醛（HMF）向2,5-呋喃二羧酸（FDCA）的高效氧化效率。传统催化方法存在能耗高、选择性差等瓶颈，而该团队通过整合超声光催化与异质结工程，实现了反应体系的多维度优化。

在催化剂设计方面，研究团队创造性地采用一维硫化镉纳米 rod 与二维Ti3C2Tx MXene纳米片构建 Schottky异质结。这种异质结结构具有双重优势：首先，硫化镉作为典型的 piezoelectric半导体，其晶格在超声作用下会产生周期性形变，进而激发电场效应；其次，MXene独特的二维层状结构和表面官能团为反应提供了丰富的活性位点。通过 solvothermal法合成的复合催化剂，成功实现了光生电荷与超声诱导电荷的协同作用。

实验结果表明，在300W Xe光源（波长≥420nm）与40kHz超声协同作用8小时后，HMF的转化率达到87.33%，其中FDCA选择性达到81%，显著优于传统光催化体系。色度分析显示，随着MXene含量增加（MXCS-1至MXCS-5），催化剂颜色由亮黄色逐渐变为暗黄色，暗示电荷分离效率的持续提升。这种颜色变化与电子迁移路径的优化密切相关，MXene的引入增强了异质结界面的电荷传输能力。

反应机理研究揭示了多活性氧物种的协同作用机制。超声振动通过机械应力诱导的极化电场，有效分离了光生电子-空穴对。其中，硫化镉作为光催化核心，在紫外光激发下产生高活性空穴，氧化水分子生成羟基自由基（·OH）；而Ti3C2Tx MXene凭借其优异的导电性和 MXene 的层状结构，接收电子后与氧气反应生成超氧自由基（·O2?）。这两种自由基的协同作用推动了HMF的氧化路径：HMF首先转化为糠醛单羧酸（HMFCA），再经糠醛双羧酸（FFCA）中间体最终生成FDCA。

理论计算进一步验证了该氧化路径的合理性。研究团队通过密度泛函理论（DFT）模拟，证实了各中间体在催化剂表面的吸附能梯度，以及电子转移路径的能级匹配性。这种计算与实验的结合，为揭示异质结界面电荷转移机制提供了理论支撑。

值得注意的是，该催化剂体系展现出独特的稳定性特征。在连续反应测试中，MXCS-3样品的催化活性仅下降约12%，这与其特有的异质结结构密切相关。1D/2D异质结不仅实现了电荷的定向传输，更形成了稳定的电子捕获界面，有效抑制了电荷复合。此外，MXene的层状结构提供了三维反应通道，避免了传统催化剂的结块问题。

该研究对可持续化学工业具有重要启示价值。FDCA作为生物基聚酯（PEF）的关键单体，其高效合成可显著减少对石油基PET的依赖。实验中采用的温和条件（常温常压）与高选择性（81%）表明，这种 piezo-photocatalytic体系在生物质转化领域具有广阔应用前景。特别是对于复杂有机物的定向氧化，该异质结设计思路可拓展至其他生物基化学品的合成。

研究同时指出了未来改进方向。超声功率与光照波长的协同优化尚未完全系统研究，不同频率的超声对电荷分离效率的影响仍有待深入探讨。此外，催化剂的规模化制备工艺与长期稳定性问题，需要在后续研究中重点突破。该成果为发展绿色合成技术提供了新范式，特别是在实现复杂有机分子的高效定向转化方面具有重要参考价值。