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下文給大家推送的是來自華南理工大學李*勇，影響因子12.781

下面讓我們一起看看作者研究了哪些亮點，又解決了哪些問題呢？

文章信息

期刊：Green Energy & Environment

標題：Biomass-based N doped carbon as metal-free catalyst for selective oxidationof D-xylose into D-xylonic acid

中文標題：以生物質為基礎的N摻雜碳作為無金屬催化劑，用于選擇性氧化D-木糖并轉化為D-木質酸

文章信息：https://doi.org/10.1016/j.gee.2021.01.004

研究亮點

1.本文首次以N摻雜富缺陷碳（NC-800-5）作為無金屬催化劑，在堿性水溶液、100℃、30分鐘內，將D-木糖選擇性氧化成高附加值的D-木質酸。

2.研究者發(fā)現，NC-800-5的石墨N位點是氧化D-木糖的活性位點。羥基和D-木糖首先吸附在NC-800-5表面，D-木糖的醛基被催化形成二元醇。然后，C-H鍵進一步斷裂并產生羧基官能團。

3.NC-800-5催化劑在循環(huán)測試中顯示出高穩(wěn)定性。

當前難點

利用貴金屬催化劑，將豐富的可再生生物質轉化為生物燃料，是解決化石原料枯竭和環(huán)境惡化的一種可持續(xù)方法。然而，貴金屬面臨著成本較高的問題。因此，尋找可替代貴金屬催化劑、穩(wěn)定溫和的無機非金屬催化劑便成為了當務之急。

計算內容

實驗以殼聚糖為碳源和氮源，以硝酸為溶劑，通過熱解成功制備了催化劑。SEM和TEM表征的NC-800-5如Figure1所示。

在觀察到的片層形貌基礎上，研究者將NC-800-5抽象簡化為單層模型，并基于石墨N活性位點的結論，構建3個N原子摻雜的graphitic-3N和pyridinic-3N模型。在模型構建上，本文的模型構建排除了溫度及溶劑化環(huán)境的影響（第一性原理的計算環(huán)境默認是0K，真空條件），將石墨N和吡啶N作為主要的自變量及影響因素。作為一點小缺憾，石墨N的3N位置沒能和吡啶N的3N位置完全對應。這種額外的影響因素將會在一定程度上影響到計算結果，因此要在模型構建階段就考量在內。

本文計算了O2、H2O、OH-以及D-木糖分別在graphitic-3N和pyridinic-3N上的吸附能。對于O2的吸附能，graphitic-3N要小于pyridinic-3N。而H2O的吸附能結果則相反。這樣的計算結果能在一定程度上說明graphitic-3N的親氧性和疏水性，從而有利于D-木糖的氧化反應。另一方面，graphitic-3N上的OH-的吸附能要比pyridinic-3N負得多。如果要按照下圖的方程進行反應研究，并單純從OH-的吸附能的角度考慮，則會得出OH-在graphitic-3N上不容易進行氧化反應的結論。

此時我們想要考察反應物、中間體和產物的吸附能，以度量反應能量，卻發(fā)現文章只算了D-木糖的吸附能。即使D-木糖的吸附能比較與OH-的結果類似，但是也無法得到貼合實驗的結論。就計算的完整性而言，至少得給出圖示中間體以及產物的吸附能。有必要的話，需要計算OH-和反應物的共吸附模型，并研究OH-的過渡態(tài)轉移能壘。

總結

本文成功制備了富含C缺陷的N摻雜碳（NC-800-5），用以在堿性水溶液中將D-木糖選擇性地氧化成D-木質酸。摻雜N在D-木糖的選擇性氧化中發(fā)揮了重要作用。DFT計算表明，在各種N的種類中，石墨N是活性位點。在1兆帕O2壓力下、100攝氏度的條件下持續(xù)30分鐘，可以獲得100%的D-木糖轉化率和57%的D-木糖酸產量。此外，NC-800-5顯示出良好的穩(wěn)定性和 激活處理后的可回收性。這項工作提出了一條合成高效的無金屬催化劑的簡單途徑。用于從D-木糖中生產D-木糖酸。

參考文獻：

[1] Li et al. Biomass-based N doped carbon as metal-free catalyst for selective oxidation

of D-xylose into D-xylonic acid. Z. Green Energy & Environment 7 (2022) 1310–1317.

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