生物质作为一种有机可再生能源，通过高效转化为生物燃料和高值化学品，能够显著推动绿色化学和循环经济的发展。5-羟甲基呋喃（HMF）作为关键的平台化合物，可通过多种催化过程转化为高值化学品。其中氢化反应不仅能生产可再生燃料，还能用于合成生物基聚合物的单体，这有助于减少对化石燃料的依赖，促进可降解塑料和纤维的生产，推动环境友好材料和能源的应用。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所非金属催化团队张建研究员与淮丽媛副研究员十余年来一直聚焦于生物质高值转化基础理论研究与工艺开发。团队在HMF规模化生产技术开发和高效催化转化为下游高值化学品方面取得长足进步，2024年通过两项科技成果鉴定/评价，总体达到国际领先水平。其中在HMF氢化还原方面，团队通过精细调控氧化铝载体上的钯-氧化镁界面，可有效地选择性加氢HMF为5-羟甲基四氢糠醛（5-HMTHFF）或完全加氢为2,5-双（羟甲基）四氢呋喃（BHMTHF）（Appl. Catal. B 2025, 361, 124578）、通过在氧化铈上构建双金属位点以增强Cu基催化剂的氢化活性。所制备的Cu₁₀₀Pd₁/CeO₂-FA催化剂在选择性氢化反应中表现优异，超越传统催化剂和部分贵金属催化剂（Appl. Catal. B 2025, 361, 124563）、制备的锰氧化物八面体分子筛（OMS-2）上负载的铂催化剂在水相中对HMF的选择性氢化表现优异，BHMF产率高达97.6%。该反应通过水介导机制进行，确保了不发生环氢化或开环反应（Fuel, 2024, 372, 132147）。

近期，团队与加州理工学院的William A. Goddard III院士合作，聚焦单原子催化剂在生物质氢化反应中的机理及其在生成生物降解聚合物单体2,5-双（羟甲基）四氢呋喃（BHMTHF）方面的应用。采用从头计算分子动力学（AIMD）与量子力学（QM）相结合的方法，揭示了钌（Ru）单原子催化剂的独特反应机制。研究发现，Ru单原子催化剂能够高效解离氢气，并直接在其活性位点参与生物质衍生的2,5-双（羟甲基）呋喃（BHMF）的环氢化反应，最终生成BHMTHF，反应的自由能势垒仅为0.82 eV。Ru单原子催化剂的特殊性质使得氢气能够在单个活性位点上快速解离，直接参与反应，而无需扩散。进一步的微动力学分析表明，在300-550 K的温度范围内，环氢化和侧链氢解的反应速率明显高于氢化开环。BHMTHF在300 K和550 K下的选择性分别达到98.9%和78.4%（第二产物为5-甲基呋喃（5-MFA））。

研究不仅强调了Ru单原子催化剂在以氢气为氢源的环氢化反应中的卓越有效性，还为设计其它生物质转化反应的单原子催化剂提供了重要的理论依据和实践指导，为绿色催化和可再生材料的开发奠定了基础。

相关研究成果已发表在国际知名期刊《美国化学会志》（JACS）上（论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c11551）。宁波材料所淮丽媛副研究员为该论文的第一作者，张建研究员、William A. Goddard III院士为该论文的通讯作者。上述工作得到了区域创新发展联合基金重点支持项目（U23A20125）、宁波市自然科学基金（2023J335）和中国科学院公派等项目的资助。

图1 (a) 不同C-Ru键长的结构能量差异；(b) AIMD模拟过程中BHMF的C-Ru键长以及H-Ru键长（来自H₂）随时间的变化；(c) H₂解离过程中H-H键随时间变化的情况；(d) C-Ru键长为2.8 Å的构型；(e,f) 1.9 ps和3 ps时观察到的结构

图2 (a) BHMTHF、5-MFA和DHO的生成速率比（BHMF浓度100 mM，H₂压力5 MPa)；(b)不同温度下BHMTHF、5-MFA和DHO的选择性