生物质资源是唯一可再生的碳资源，开发生物质资源的高值化利用对于缓解能源危机及环境污染具有重要意义。糠醛及5-羟甲基糠醛（HMF）是重要的生物质呋喃基平台分子，通过对糠醛及HMF分子中C-O键的选择性催化转化，是实现呋喃类平台分子定向转化为高附加值含氧燃料和化学品的重要途径和手段，也是生物质资源综合利用的重要研究内容。研究者主要从事生物质资源制备高值化学品及多功能材料研究，特别是在呋喃基化学品的合成与催化转化等方面有较深的工作积累，共发表学术论文16篇，其中以第一作者发表论文9篇，授权相关领域国家发明专利9项。

在材料单体制备方面，研究者针对无金属催化体系制备材料单体呋喃二甲醛和呋喃二甲酸的选择性难题，开发酸调控的非金属TEMPO-叔丁醇催化体系用于HMF选择性氧化。在乙酸和磷酸添加剂存在下，分别实现HMF到呋喃二甲醛（DFF）和呋喃二甲酸（FDCA）的选择性氧化，收率分别为90%和83%（图1）。通过表征分析发现，产品选择性的差异主要是由于乙酸和磷酸添加剂存在下呋喃二甲醛和2-甲酰基-5-糠酸的水合程度不同导致的。鉴于DFF和FDCA的重要应用价值，申请人撰写了碳水化合物一锅法制备DFF和FDCA的前沿综述，全面深入地分析了在一锅一步法/两步法中采用组合催化剂和双功能催化剂将多种碳水化合物转化为DFF的最新研究进展情况，为制备DFF的催化体系设计与开发提供研究思路。

图1. 酸调控非金属催化剂选择性氧化5-羟甲基糠醛的反应示意图

在燃料添加剂前体制备方面，研究者针对糠醛一步法制备新型环烷烃燃料前体环戊醇产物选择性的难题，开发了兼具有多孔、磁性、Lewis 酸酸性和加氢活性的多功能Co-400催化剂，实现了87%的环戊醇收率（图2）。

图2. Co-400催化剂催化转化糠醛到环戊醇示意图

研究者针对温和条件下从HMF高收率获得新型柴油添加剂2,5-二甲氧甲基呋喃（BMMF）的难题，开发同时含有Co0物种和无定型Co3O4物种的双功能Co3O4催化剂，分别赋予催化剂加氢活性及醚化活性，最高得到98.5%的BMMF收率，从果糖出发，分两步实现66.5%的BMMF分离收率（图3）。

图3. Co催化剂转化HMF制备BMMF示意图

研究者针对中链脂肪酸难分离且奇数碳难制备的难题，开发兼具加氢活性和适宜Lewis酸酸性的Pd/C+W(OTf)6催化体系，其中W(OTf)6具有选择性切断呋喃环C-O键、内酯环C-O键及羟基C-O键而保留羧基氧的能力（图4）。以癸酸制备为模型反应最高得到94%的癸酸收率，同时以88%、85%和90%的收率分别实现了癸二酸、正庚酸和十一碳酸的高选择性制备。

图4. 生物质底物制备中链脂肪羧酸示意图

研究者对生物质呋喃基平台分子HMF和呋喃二甲酸的规模化工艺进行了开发。通过双相双循环策略，解决了HMF制备过程中存在底物浓度低、选择性差、产品提纯难等问题，反应的摩尔收率达到70%以上，纯化后HMF的纯度可以达到98%以上，项目产品远销荷兰等国家。以自制HMF为原料，开发双金属复合催化剂实现温和条件下HMF的空气氧化，完成呋喃二甲酸百吨级中试。相关研究成果以“呋喃基生物新材料及其关键中间体”项目参加了2019年第47届日内瓦国际发明展会，受到了专家和评委一致认可，并荣膺本届国际发明展最高荣誉奖项——评审团特别嘉许金奖，成果人排名第二位（图5）。此次参展有效提升了我国在生物基可降解材料领域的国际影响力，充分展现了我国科研人员发明创新的巨大活力。

图5. 日内瓦国际发明展--评审团特别嘉许金奖