中大Appl. Catal. B：单原子Ru/NiFe LDH实现高效5-羟甲基糠醛氧化和析氧反应

化石燃料的过度消耗导致了严重的环境问题，包括白色污染、空气污染和大量的二氧化碳排放。为解决这一问题，可再生绿色生物质和生物质衍生的化学品为合成具有高附加值的化学品和生物燃料提供了有前景的途径，以替代化石燃料。HMF(5-羟甲基糠醛)是一种呋喃化合物，可以转化为多种高附加值的化合物来替代化石燃料。在一系列由HMF转化的高附加值化学品中，2,5-呋喃丙二酸(FDCA)是众多化学品和呋喃基聚合物的重要中间体。

基于此，中山大学李晓云等人采用两步电沉积法，将Ru单原子负载在NiFe LDH(Ru_0.3/NiFe)上，有效的提高了催化剂的吸附能力。以Ru_0.3/NiFe为催化剂，本文对其进行了5-羟甲基糠醛氧化反应(HMFOR)和析氧反应(OER)测试。

为了研究催化剂的电催化活性，本文在1.0 M KOH电解质中利用三电极体系对催化剂进行了电化学测试。从线性扫描伏安(LSV)曲线得到的结果可以发现，与NF和NiFe相比，Ru_0.3/NiFe催化剂显示出最低的起始电位。Ru_0.3/NiFe的低起始电位表明，Ru_0.3/NiFe活性界面上具有增强的M-Oads。

此外，当电流密度为10 mA cm^-2时，Ru_0.3/NiFe催化剂表现出216 mV的OER过电位和61 mV dec^-1的Tafel斜率。与NF(419 mV，111 mV dec^-1)和NiFe(274 mV，86 mV dec^-1)以及其他Ru/NiFe催化剂相比，Ru_0.3/NiFe催化剂表现出优异的OER性能。之后，本文继续研究了Ru_0.3/NiFe的HMFOR性能。

令人满意的是，在10 mA cm^-2的电流密度下，Ru_0.3/NiFe的过电位比NiFe和NF分别小64和213。与OER相比，该催化剂在HMFOR中表现出较低的起始电位，而较低的起始电位有利于HMFOR的发生。总之，本文的测试结果表明，第三元素Ru的引入可能对Ni²⁺和Fe³⁺的电子环境产生了影响，电子协同作用可能也有助于提高催化剂的催化活性。

综上所述，本文提出了一种简单的电沉积-阳离子沉积策略来制备双功能的负载Ru单原子的NiFe-LDH催化剂。通过一系列的表征可以观察到，Ru成功地负载到NiFe-LDH结构中，Ru³⁺周围的电子云转移到Fe³⁺，Ru³⁺吸引Ni²⁺的电子云，Ru单原子负载通过调整电子结构优化催化剂对HMF的吸附能。NiOOH是一种高级的Ni²⁺物质，在HMF反应中发挥活性物质的作用。有趣的是，Ru在HMFOR中促进了DFF的形成，从而提高了FDCA的产率。

更加重要的是，本文的密度泛函理论(DFT)计算结果表明，Ru负载引起的催化剂的HMFOR活性的提高与电子结构的改变之间具有明显的相关性。Ru原子在晶体表面电荷转移导致的低配位态，使得Ru原子成为吸附-OH的最佳位点，从而促进电催化产生的FeNiOOH在HMF中捕获COHO中的质子，从而实现电子转移。

总之，本研究不仅介绍了双功能和高性能单原子电催化剂的新概念，而且为电催化氧化HMF实现可持续和有价值的生物质生产提供了深刻且全面的机制。

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.