目前的塑料以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为主，其合成严重依赖于石油裂解并会造成白色污染。相比之下，由2,5-呋喃二甲酸(FDCA)合成的聚呋喃二甲酸乙二酯(PEF)是一种具有优异生物降解性的生物基聚合物。生物质衍生化合物5-羟甲基糠醛的电氧化(HMFOR)为FDCA的生产提供了一种生态友好的途径，条件较为温和。
为了扩大FDCA的生产规模并满足工业需求，实施膜-电极组装电解已成为必要。最近的研究进展表明，NiFe基层状双氢氧化物(LDHs)是HMFOR的有前景的催化剂，这可以归因于它们有利的性能和可调节的化学成分。在氧化电位下，NiFe LDHs通常会自我重构为羟基氧化物，其中高价Ni3+δ (0<δ<1)作为活性物种。
然而，大电流密度下的过氧化常常导致金属组分溶解，这大大削弱了NiFe LDHs的长期稳定性。解决这个问题需要制定有效的策略来抑制金属位点的过氧化，特别是Ni3+δ，从而确保在高电流密度下的持续运行。
近日，中国科学技术大学姚涛、曹林林和安徽大学杜海威等报道了一种通过直接电沉积合成的自支撑NiFe LDH锚定单原子Ru催化剂(Ru@NiFe)。NiFe LDH中的大量缺陷为单原子锚定提供了位点，使得SMSI的建立成为可能。这种由几何约束和电子稳定引起的双稳定效应在维持Ru@NiFe的稳定性方面起着至关重要的作用。
作为实际阴离子交换膜(AEM)电解槽中的阳极催化剂，Ru@NiFe表现出高效的HMFOR活性。具体而言，在电池电压为1.7 V时，FDCA法拉第效率达到90%，在500小时内FDCA的转化率达到159.3 mg cm-2 h-1，且电流密度接近270 mA cm-2。
原位光谱表征和理论计算表明，Lewis酸-碱相互作用增强了Ru@NiFe的电氧化-还原机制，实现了高效的HMFOR。这种循环行为由三个连续步骤组成：步骤I涉及Lewis酸Ru促进Ni2+在Ni(Fe)OOH中向活性Ni3+δ物种的转化；步骤II中，HMF经历电氧化，在Lewis酸Ru位点处醛基的吸附增强，导致其转化为FDCA，同时伴随着质子释放；这些质子优先被高价Ni3+δ捕获，驱动其还原为Ni2+并防止过氧化，从而完成反应循环(步骤III)。Ni2+和Ni3+δ物种之间的这种可逆转化促进了Ru@NiFe上高效的生物质升级。
Lewis acid-base interactions in Ru-stabilized NiFe (oxy)hydroxide promoting biomass upgrading at industrial currents. ACS Catalysis, 2025. DOI: 10.1021/acscatal.5c01100