近日，杭州高等研究院催化基础与应用研究团队丁云杰研究员、谭媛助理研究员在金基双金属催化剂的设计及应用方面取得重要进展，开发了一种银掺杂的金原子团簇催化剂并将其用于5-羟甲基糠醛（HMF）选择氧化制2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的反应。相关研究成果以“Ag substituted Au clusters supported on Mg-Al-hydrotalcite for highly efficient base-free aerobic oxidation of 5‑hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid”为题，发表在国际化学领域顶级期刊Green Chemistry（中科院1区，IF=10.182）上。杭州高等研究院2020级硕士研究生刘棕杨为该工作的第一作者，浙江师范大学为第一通讯单位。
5-羟甲基糠醛（HMF）是重要的生物质平台化合物，可通过催化氧化转化为2,5-呋喃二甲醛（DFF），5-羟甲基-2呋喃甲酸（HFCA）和2,5-呋喃二甲酸（FDCA）等。将5-HMF选择氧化为FDCA是生产可再生生物降解塑料的一个有前途的路线，近年来引起了人们的广泛关注。负载型金催化剂对该反应具有较高的活性，但其选择性和稳定性仍有待提高。此外，液体碱的添加使该过程不可持续，因此，开发无碱条件下的高效催化体系仍然面临一定的挑战。本论文以镁铝水滑石为载体，Au-Ag纳米团簇为活性组分，分子氧为氧源，在无碱条件下实现了HMF高效氧化为FDCA，在反应温度为90 oC，氧气压力为5 atm时HMF的转化率和FDCA的收率均大于95%。控制实验证明由HMF转化为FDCA是一个串联氧化过程，并且HFCA的氧化为速控步骤。在金原子团簇中掺入少量Ag原子(0.034~0.065 wt.%)可以很大程度上提高金原子团簇对羟基官能团的氧化能力，促进FDCA的生成。XPS和CO DRIFT等结果证明，Ag的掺入可以调变Au原子团簇的电子结构，使Au富电子，从而增强O2分子在金上的解离活化能力。动力学研究结果表明，Ag的加入能降低反应活化能，促进反应的进行，同时Ag的加入也能降低O2分压对反应速率的影响。
该团队从2017年开始从事金原子团簇的可控合成，并研究负载型金原子团簇催化剂在选择加氢（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2709；J. Catal., 2018, 364 , 174; Chin. J. Catal.,2021, 42, 470）、氧化（Chin. J. Catal., 2018, 39, 929; Catalysts, 2020, 10, 107）以及氧化酯化（Chem. Eng. J., 2022, 431, 133207; Int. J. Mol. Sci., 2021, 22, 8668; Catalysts, 2021, 11, 162.）反应中的催化应用。上述工作系统研究了第二金属掺杂的双金属团簇催化剂在选择氧化反应中的催化性能，对金基双金属团簇催化剂的可控合成和催化应用具有一定的借鉴意义，同时该工作也进一步拓展了金原子团簇催化剂在生物质催化转化中的应用。
上述工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。