FMSG: Eco: Electrocatalytic Production of Valuable Polymer Feedstocks from Biomass-derived Furanics and CO2

FMSG:Eco:利用生物质衍生的呋喃和二氧化碳电催化生产有价值的聚合物原料

基本信息

  • 批准号:
    2328176
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-01-01 至 2025-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Among biomass-derived intermediate compounds, furanics stand out as particularly appealing targets in that they exhibit great promise for chemical transformation to a variety of value-added end products including the important biopolymer precursor 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). Although several thermochemical synthetic strategies of FDCA from furfural or 2-furoic acid have been reported, the requirements of stoichiometric oxidants, expensive catalysts, toxic solvents/reagents, and/or potentially harsh conditions render these synthetic strategies non-optimal for the large-scale manufacturing of FDCA. This project, led by Yujie Sun (University of Cincinnati) in collaboration with Arun Mannodi Kanakkithodi (Purdue University), aims to develop an innovative electrochemical process, namely electrocatalytic bromine-mediated carboxylation (EBrC), to produce FDCA from 2-furoic acid and carbon dioxide under ambient conditions. Since carbon dioxide is directly utilized in this process as a C1 feedstock for the final carboxylation step, the proposed EBrC strategy for FDCA production is essentially carbon-negative with potential environmental and societal benefits. Data-driven screening of reaction conditions using computation and machine learning will help guide the design and development of competent electrocatalytic systems.The overall objective of this seed grant is to develop an electrocatalytic approach for the synthesis of an important biopolymer precursor, namely 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), using biomass-derived and industrially produced furfural and carbon dioxide, and also build the talent pool of future research scientists in the emerging field of organic electrocatalysis. The generated data, simulation frameworks, and tools for training models and predicting properties will be publicly released in a Findable, Accessible, Interoperable, Reusable (FAIR) format for the benefit of the materials community, via the Materials Data Facility and nanoHUB, an online repository housed at Purdue University which provides free and open access to this information for educators and students. The PI’s (Sun) group at the University of Cincinnati (UC) will build on its active involvement in outreach programs including the UC Community Day Open House, the UC-Chem Summer Camp, and Science Day at the UC Center for Field Studies. The co-PI’s (Mannodi Kanakkithodi) group at Purdue University will develop new nanoHUB resources based on the density functional theory calculations and machine learning results from the project. These resources will be used for education and outreach, including incorporation into graduate courses at Purdue University and as content for hands-on workshops on materials informatics organized on behalf of nanoHUB, which is typically attended by 100 to 300 students and researchers from across the world.This Future Manufacturing award was supported by funding from the Division of Chemistry in the Directorate for Mathematical and Physical Sciences.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在生物质衍生的中间体化合物中,呋喃类化合物脱颖而出,成为特别有吸引力的目标,因为它们在化学转化方面表现出巨大的前景,可转化为各种增值最终产品,包括重要的生物聚合物前体 2,5-呋喃二甲酸 (FDCA)。已经报道了从糠醛或 2-糠酸合成 FDCA 的策略,化学计量氧化剂的要求、昂贵的催化剂、有毒溶剂/试剂和/或潜在的该项目由 Yujie Sun(辛辛那提大学)与 Arun Mannodi Kanakkithodi(普渡大学)合作领导,旨在开发一种创新的电化学工艺,即恶劣的条件使得这些合成策略不适合大规模生产 FDCA。电催化溴介导的羧化 (EBrC),在环境条件下由 2-糠酸和二氧化碳生产 FDCA,因为二氧化碳在此过程中直接用作 C1 原料。对于最后的羧化步骤,拟议的 FDCA 生产 EBrC 策略本质上是负碳的,具有潜在的环境和社会效益,使用计算和机器学习对反应条件进行数据驱动的筛选将有助于指导有效的电催化系统的设计和开发。该种子基金的总体目标是开发一种电催化方法,使用生物质衍生和工业生产的糠醛合成重要的生物聚合物前体,即 2,5-呋喃二甲酸 (FDCA)和二氧化碳,并建立有机电催化新兴领域的未来研究科学家的人才库。生成的数据、模拟框架以及用于训练模型和预测特性的工具将以可查找、可访问、可互操作、可重复使用的方式公开发布。 (FAIR) 格式,通过材料数据设施和普渡大学的在线存储库 nanoHUB 为材料界提供免费和开放的访问权限,为教育工作者和学生提供此信息。辛辛那提大学 (UC) 的 (Sun) 小组将积极参与外展活动,包括 UC 社区日开放日、UC-Chem 夏令营和 UC 现场研究中心 (Mannodi) 的科学日。普渡大学的 Kanakkithodi)小组将根据该项目的密度泛函理论计算和机器学习结果开发新的 nanoHUB 资源,这些资源将用于教育和推广,包括纳入普渡大学的研究生课程和作为内容。代表 nanoHUB 组织的材料信息学实践研讨会,通常有来自世界各地的 100 至 300 名学生和研究人员参加。该未来制造奖得到了数学和物理科学理事会化学部的资助该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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