2. 浙江大学生物质化工教育部重点实验室; 浙江大学 化学工程与生物工程学院 制药工程研究所，浙江 杭州 310027
2. Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education, Institute of Pharmaceutical Engineering, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
随着化石能源储备量的不断减少以及日益严重的环境污染问题，寻求价格低廉、安全环保、可持续开发利用的新型能源成为人们越来越关注的问题。近年研究发现，2, 5-二甲基呋喃(2, 5-DMF)是一种非常有应用前景的可再生液体燃料。与传统的生物燃料乙醇相比，2, 5-DMF具有以下特点：(1)沸点较高，不易挥发；(2)能量密度与汽油相近，易与汽油混合并提高汽油燃烧性能；(3)辛烷值高，防爆性好；(4)不溶于水，易储存；(5)分离提纯时耗能少[3, 4]。以上优点均表明2, 5-DMF是21世纪具有发展前景的替代能源之一，具有广阔的应用价值和市场前景，值得深入研究。
生物质资源分布广泛，来源稳定，并且价格低廉，是制备2, 5-DMF的理想原料。将生物质转化为2, 5-DMF，需要先将生物质解聚为单糖，再进一步降解为5-羟甲基糠醛(5-HMF)，然后在金属催化剂的作用下，由5-HMF选择性加氢脱氧制得[5, 6]，如图 1所示。5-HMF是一种重要的有机中间体，美国能源部将其列为十大增值生物化学物质之一[7]，通过氧化脱氢、脱水[8]可合成2, 5-呋喃二甲醛、乙酰乙酸乙酯、乙酰丙酸和2, 5-呋喃二甲酸等高附加值产品[9, 10]。以5-HMF为底物制备2, 5-DMF是国内外研究的热点，关键是开发高效的溶剂和催化剂体系，阐明5-HMF有效转化为目标产物的反应机理，为生物质一步转化为2, 5-DMF奠定理论基础。本文对近年来碳水化合物(主要包括葡萄糖、果糖)及5-HMF转化为2, 5-DMF的研究成果进行总结，系统阐述以5-HMF为原料制备2, 5-DMF的反应机理、催化反应体系、溶剂体系，并对2, 5-DMF制备的研究前景进行展望。
2 反应机理
5-HMF呋喃环上分别连有醛基和羟甲基，在催化剂和供氢体存在的情况下易发生加氢/氢解反应。活化氢首先攻击5-HMF上的C=O键还是C-O键，一直是该反应机理研究的争议点。可能的反应路径主要有两种：路径1是5-HMF上的醛基先加氢生成2, 5-二羟甲基呋喃(2, 5-DHMF)，然后呋喃环上的羟基进行氢解反应，生成重要的反应中间体5-甲基糠醇(5-MFA)；路径2是5-HMF中的羟基先发生氢解反应脱水生成5-甲基糠醛(5-MF)，随后5-MF上的醛基加氢生成5-MFA。最后5-MFA上的羟基进一步氢解为2, 5-DMF，如图 2所示。除上述反应路径外，由于呋喃环性质活泼，反应过程中还易发生呋喃环过度加氢以及开环裂解等反应生成2, 5-二甲基四氢呋喃、2, 5-二羟甲基四氢呋喃、2, 5-己二酮等副产物。
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图 2 从5-HMF转化为2, 5-DMF的反应机理[1] Fig.2 Plausible mechanism of 5-HMF conversion into 2, 5-DMF[1] solid line: the main reaction path dotted line: the side reaction path |
Gorte等[11]对该反应机理进行研究后发现5-HMF选择性加氢为有序反应，其证据是反应起始阶段并未检测到过度加氢产物，仅在2, 5-DMF选择性开始下降时出现，这表明呋喃环加氢和开环产物以2, 5-DMF为原料，2, 5-DMF只是5-HMF催化加氢反应的中间产物。
在早期研究中，有学者发现反应过程中随着2, 5-DHMF的含量减少，2, 5-DMF逐渐增加[12~14]，认为2, 5-DHMF是反应的关键中间体，活化氢先攻击C=O键生成2, 5-DHMF，然后进行CH2-OH键的断裂(即反应路径1)，但对加氢反应为什么先发生在C=O键上并未给出合理的解释。Bordoloi等[15]研究5-HMF上的三个活性位点(C=O，C=C，C-O)后发现，醛基碳的亲电性最强，因此更容易发生加氢反应。同时，反应路径1所需活化能远低于反应路径2，也有利于反应向路径1进行。此外，Verevkin等[16]使用B3LYP和G3MP2方法对5-HMF加氢生成2, 5-DHMF(步骤1)，以及2, 5-DHMF氢解生成2, 5-DMF(步骤2)过程中的吉布斯自由能和反应焓进行计算，发现步骤2的反应平衡常数Kp远大于步骤1，也从侧面证明了路径1有利于合成2, 5-DMF。
尽管路径1得到了大部分研究者的支持，然而后续研究发现并非所有反应体系都按照该路径进行反应。Bell等[17]采用Pd/C-[EMIM] Cl催化体系，分别以反应中间体5-甲基糠醛(5-MF)，2, 5-二羟甲基呋喃(2, 5-DHMF)，5-甲基糠醇(5-MFA)为底物制备2, 5-DMF。研究结果表明，5-HMF首先加氢形成5-MF，然后继续加氢经5-MFA转化为2, 5-DMF，5-HMF的加氢反应应从呋喃环上的CH2-OH键开始，即反应路径2。本课题组[1]以5-HMF为底物，探究了在Ru/C和N, N-二甲基甲酰胺组合的催化体系中制备2, 5-DMF的反应路径。反应1 h后体系中生成大量5-MF和5-MFA，未检测到2, 5-DHMF，与Bell的结论基本相同。
Zhu等[18]认为上述两条反应路径并不是独立存在的，在高温条件下5-HMF上的醛基和羟基可以同时发生反应。但随后有研究证明高温并不是促使C=O和C-O键同时加氢的真正原因，因为在低温条件下也能同时观察到两种路径[19]。
此外，氢源和溶剂等因素也会影响反应路径。Saha等[20]利用1H和13C NMR研究了5-HMF在以甲酸为氢源时制备2, 5-DMF的反应机理。得到反应中间体5-甲酰基糠醛(FMF)，提出在该反应体系中5-HMF会先和甲酸发生酯化反应生成FMF，再进一步加氢生成目标产物，并非按照上述两条路径进行反应。Li等[2]研究发现，溶剂会影响产物分布，如图 3所示。当使用非质子溶剂四氢呋喃时，从5-HMF转化为5-MF的加氢脱氧速率比5-MF转化为2, 5-DMF快，主要产物为5-MF，C=O键加氢为速度控制步骤。当溶剂替换为正丁醇时，主要产物为2, 5-DMF。作者把这一现象解释为正丁醇的供氢能力比四氢呋喃强，能够促进C=O键加氢，有利于目标产物生成。
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图 3 5-HMF在不同反应介质中转化为2, 5-DMF的反应路径[2] Fig.3 Plausible reaction pathway of 5-HMF conversion into 2, 5-DMF in different solvents[2] solid line: tetrahydrofurna as solvent dotted line: n-butanol as solvent |
综上所述，5-HMF转化为2, 5-DMF是一个复杂的多步加氢反应。其研究难点在于5-HMF反应性质较为活泼，反应路径在不同催化体系中均有所不同，现有机理解释尚缺乏普遍适用性，要做到精确调控反应，实现2, 5-DMF的产业化制备较为困难。因此在今后的工作中仍需要深入探讨5-HMF转化为2, 5-DMF的反应规律，并与生物质降解生成5-HMF的反应机理相结合，总结出完整的理论体系，为生物质高效转化为2, 5-DMF提供指导意见。
3 催化剂体系在5-HMF转化为2, 5-DMF的反应中，催化剂起着重要作用。氢分子吸附在金属催化剂表面后被激活形成活化氢，活化氢可以攻击吸附在催化剂表面的底物双键[21]，从而进行加氢反应。通常情况下，大多数催化剂可以催化C=O和C=C键发生加氢反应。因此控制催化剂在C=O和C=C键加氢反应中的相对活性，确保5-HMF分子上醛基和醇羟基优先加氢，同时尽量避免呋喃环上C=C和C-O键加氢是5-HMF选择性加氢制备2, 5-DMF需要首先解决的问题。贵金属催化剂因d电子轨道未填满而极易吸附反应物，有利于形成中间“活性反应物”，具有较高催化活性[22]，同时还具备耐高温、抗腐蚀等优良性能，是早期研究工作中的常用催化剂[15, 23, 24]。但贵金属成本较高，寻找可替代的廉价催化剂一直是科研工作者研究的重点。目前，制备2, 5-DMF的催化剂体系包括负载的单金属Ru、Pd、Pt、Cu、Ni等和双金属Pd-Au、Ni-Co、Pt-Co等以及金属-氧化态金属催化剂Ru-MoOx、Ni-W2C等，常用的载体有活性炭和Al2O3。表 1给出了近年来用于5-HMF转化为2, 5-DMF的催化剂研究情况。
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表 1 用于5-HMF转化为2, 5-DMF的催化剂研究情况 Table 1 Catalysts studied in 5-HMF conversion into 2, 5-DMF |
Ru/C和Pd/C是使用最多的两种负载型单金属催化剂，贵金属Pt虽然活性较强，但加氢速率难以控制，易生成过度加氢产物[11]，所以关于制备2, 5-DMF的研究很少采用单独的Pt作催化剂。具有应用前景的非贵金属主要为Ni和Cu，尤其是Ni，能在较为温和的条件下促进C-O键裂解[34]。此外，最近有研究表明Fe在5-HMF选择性加氢制备中也表现出良好的催化活性[2]。
3.1.1 Ru系催化剂贵金属中Ru价格相对便宜，且在酸性水热环境中具有良好的加氢活性[52]，其应用受到广泛关注。Chilukuri等[26, 27]研究了Ru分别负载在水滑石和NaY上催化5-HMF选择性加氢生成2, 5-DMF的性能，收率并不理想。Hu等[29]以Ru/C为催化剂，THF为溶剂，200℃下反应2 h，2, 5-DMF收率可达94.7%，作者把2, 5-DMF的高收率归因为Ru负载在活性炭上后具备高加氢活性。同时，采用此催化反应体系对来源于不同碳水化合物的初步提纯的5-HMF进行选择性加氢，2, 5-DMF的收率基本不变，这也进一步证明了Ru/C催化剂在该反应体系中的优越性[29]。改用异丙醇为氢源，以Ru/C为催化剂，2, 5-DMF选择性可达80%以上[28]。
3.1.2 Pd系催化剂Pd (0)具有良好的脱氧活性[39]，可在5-HMF加氢脱氧过程中发挥重要作用。与其他金属催化剂相比，Pd催化体系对反应温度要求不高，反应条件相对温和。Rauchfuss等[53]采用甲酸和硫酸混合溶液催化果糖降解为5-HMF，采用Pd/C催化5-HMF制备2, 5-DMF，70℃下反应15 h，得到2, 5-DMF收率为95%。随后，他们进一步研究并发现Pd/C-甲酸催化体系中的甲酸具有如下作用：(1)促进果糖脱水；(2)为5-HMF加氢提供氢源；(3)促进5-HMF脱氧[31]。Jaehoon等[54]将Zr基金属-有机骨架(UiO-66)沉积于磺化石墨烯氧化物上制备的材料作为载体(UiO-66@SGO)，然后负载Pd制得催化剂，成功催化果糖一步转化为2, 5-DMF，收率为70.5%。在该反应体系中，UiO-66和磺化石墨烯为果糖脱水提供了大量酸性位点，有利于中间体5-HMF的生成。
此外，Yadav等[10]、Chatterjee等[30]、Hermans等[32]、Trapp等[55]学者也探究了不同负载型Pd基催化剂在5-HMF转化制备2, 5-DMF中的催化性能。
3.1.3 Ni系催化剂5-HMF中C=O和C-O键的加氢对于制备生物燃料2, 5-DMF至关重要。然而，开发性能稳定的非贵金属催化剂仍然面临诸多问题。研究表明，非贵金属Ni能有效催化C=O，C=C和C-O键的选择性加氢[5]。Zhu等[18]以Raney Ni为催化剂，通过调控反应温度从而控制加氢产物分布。在低温下，Raney Ni可促进加氢但脱氧能力有限，因此能在不破坏C-O键的前提下，使C=O键和呋喃环加氢生成饱和产物2, 5-二羟甲基四氢呋喃(2, 5-DMHTHF)；相反，升高温度有利于提高催化剂的氢解性能，加速C-O键裂解生成2, 5-DMF。该研究为通过调节反应温度来获得靶向产物的思路提供了一定的理论依据。
与Raney Ni相比，负载型镍基催化剂利用载体取代骨架镍的支撑作用，可大大提高催化剂中镍金属的利用率[56]。Fu等[23]将Ni负载在钙钛矿上，乙醇作溶剂，通入5 MPa H2，230℃反应6 h，得到2, 5-DMF收率为98.3%，催化剂可回收重复使用5次。但该催化体系的局限性在于反应需在高温高压条件中进行，从经济效益考虑，难以实现工业化生产。
3.1.4 Fe系催化剂Fe来源丰富，价格低廉，安全环保，如果能将其开发为制备2, 5-DMF的高效催化剂显然可以降低反应成本，促进2, 5-DMF的发展和应用。Yuan等[42]以碳纳米管负载的双金属Ni-Fe为催化剂，2, 5-DMF收率可达91.3%；但单独将Fe负载在碳纳米管上时，5-HMF基本不转化。最近，Li等[2]采用Beller课题组的催化剂制备方法[57]，以邻二氮菲作为氮前体制备了铁-氮复合物FeNx并将其负载在活性炭上(FeNx/C)，以正丁醇为溶剂，获得2, 5-DMF收率为86.2%。相比于传统的负载型Fe基催化剂，该催化体系具有以下优点：(1) Fe-N复合物可以有效催化5-HMF中的C=O键发生加氢反应；(2)质子溶剂正丁醇具有供氢能力，加快了反应中间体5-MFA中C-O键的氢解速率，从而提高了产物的选择性。FeNx/C催化剂的成功制备无疑为今后Fe催化剂的开发提供了新思路。
3.2 双金属催化剂与单金属催化剂相比，双金属的协同效应或合金化不仅可以减少贵金属的用量，降低反应成本，还能提高催化剂的活性和稳定性，使其具备优良的催化性能。
Li等[46]通过加热处理沉积在聚乙二醇上的双金属氧化物前体，开发了涂覆在碳层上的纳米Cu-Co双金属催化剂。Co催化性能较好，暴露在空气中易生成CoOx，后者可促进羟基氢解[13]；而Cu可避免因聚合产物积累过多引起的催化剂失活，二者在一起发挥了较好的协同作用，当Cu:Co = 1:3 (wt/wt)时得到最大2, 5-DMF收率为99.4%。Wang等[41]将Pt-Co双金属包裹在空心碳球中，制备了直径为3.6 nm的纳米双金属催化剂。5-HMF在该催化体系中转化速率极快，2, 5-DMF收率高达98%。Gorte等[58]研究了该催化剂高选择性的反应机制，研究结果显示，反应过程中Pt，Co形成了合金。根据5-HMF转化为2, 5-DMF为有序反应理论[11]，当2, 5-DMF的生成速率远大于消耗速率时，2, 5-DMF收率可明显提高。Pt，Co对2, 5-DMF加氢无选择性，容易生成过度加氢产物。相比而言，Pt-Co合金在2, 5-DMF加氢反应中活性较弱，因此2, 5-DMF生成后能稳定存在[58]。此外，该催化体系的高选择性也得益于金属芯表面形成的氧化物。该氧化物层不仅能为5-HMF加氢脱氧反应提供活性位点，还能够减小催化剂与呋喃环之间的相互作用，避免2, 5-DMF的过度加氢和开环。除上述催化剂外，Pt-Co@HCS[41]，Ni-Cu/C[43]，Ni-Co/C[45]等双金属催化剂均在5-HMF催化转化制备2, 5-DMF过程中表现出良好的催化性能。
3.3 金属-氧化态金属催化剂除上述使用的零价单金属和双金属可有效催化5-HMF转化为2, 5-DMF外，向零价金属中添加氧化态过渡金属助剂如过渡金属氧化物、磷化物、氮化物和碳化物等也能达到良好的催化效果。研究表明，过渡金属氧化物在H2氛围下易被部分还原，形成缺电子的活性位点[59, 60]，有利于吸附和活化5-HMF分子中的醇羟基和醛基，在金属中心的加氢作用下，选择性断裂C-O键[5]。Liu等[51]采用Ru -MoOx/C催化剂，利用Ru和MoOx的协同效应获得较高收率，由5-HMF催化加氢制备2, 5-DMF，反应1 h收率可达79.8%。过渡金属磷化物、氮化物和碳化物在脱氢、氢解和异构化等反应中表现出类似于贵金属Pt的催化性能[61~66]，具有较好的H转移能力，被誉为“准铂催化剂”[67]。碳化钨兼具酸性位点和金属位点[68]，不失为理想加氢催化剂，将碳化钨应用到5-HMF加氢脱氧反应中是一次成功的尝试。2014年，Fu等[49]以Ni-W2C/AC为催化剂，在180℃条件下转化5-HMF得到96%的2, 5-DMF收率。在该反应体系中，W2C能够有效促进5-HMF上的-CH2OH键脱氧。Johannes等[62]比较了W2C和Mo2C在油酸加氢脱氧过程中的催化性能，发现后者的加氢能力更强，但Mo2C是否适用于5-HMF催化加氢制备2, 5-DMF反应还有待进一步研究。
综上所述，贵金属和双金属催化剂都有较好的催化性能和稳定性；非贵金属成本较低，但稳定性相对较差，同时反应耗时较长；添加氧化态过渡金属助剂有利于提高选择性，但过渡金属氮化物、碳化物因其表面活性相易与氧物种作用而导致活性降低，需要通过结构设计、表面改性、优化组成和结构以及调控活性相与载体表面相互作用等方式提升活性相的稳定性[65]。
以生物质为原料直接制备2, 5-DMF，反应步骤较多，获得的目的产物收率较低，催化剂以贵金属和双金属催化剂为主，文献报道情况见表 2。
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表 2 以生物质为原料制备2, 5-DMF的研究情况 Table 2 List of studies on the conversion of biomass into 2, 5-DMF |
从表 2可以看出，相比葡萄糖和纤维素，果糖制备2, 5-DMF较为简单，收率相对较高。但总体来看，要实现生物质高效制备2, 5-DMF还有许多问题亟待解决。如纤维素、淀粉等结构复杂，降解为中间体5-HMF较为困难，至今没有找到高效的催化体系；采用两步法制备2, 5-DMF需要先提纯中间体5-HMF，而5-HMF沸点较高、热稳定性差，使用常规的精馏方法难以将其分离出来[6]。实验室一般采用低沸点有机溶剂萃取5-HMF，如Moreau等[74]用乙醚连续萃取8 h，可将5-HMF从离子液体中完全分离以及本课题组[75]研发的夹带剂强化真空蒸馏法等。这些方法虽然取得了一定成效，但耗时较长，操作繁琐，造成生产成本显著增加。因此，简化实验步骤，探究从生物质一步制备2, 5-DMF应是今后研究的重点方向。
4 溶剂体系采用合适的溶剂可以有效促进5-HMF转化为2, 5-DMF。制备2, 5-DMF的溶剂包括四氢呋喃、醇类、1, 4-二氧六环、水和双相体系、离子液体、N, N-二甲基乙酰胺等。
4.1 四氢呋喃四氢呋喃(THF)具有低毒、低沸点、流动性好，对5-HMF有良好的溶解性等特点，是制备2, 5-DMF的常用溶剂。Chilukuri等[27]以Ru-NaY为催化剂，研究了非极性溶剂甲苯，非质子极性溶剂(THF、乙二醇二甲醚(1, 2-DME)、二甲基亚砜(DMSO)、乙腈(CH3CN))，以及质子溶剂2-丙醇等对5-HMF催化加氢的影响。结果表明，催化剂在不同溶剂中活性存在显著差异，其活性顺序为THF > 1, 2-DME > 甲苯 > 2-丙醇 > CH3CN > DMSO。对于上述现象，作者也给出了合理的解释：由于硫/氮的孤电子对与金属Ru的空d轨道相互作用，DMSO和CH3CN能牢牢吸附在催化剂表面，阻断Ru活性位点对5-HMF的吸附，导致Ru基催化剂失活。甲苯则会和5-HMF在催化活性位点发生竞争性吸附，抑制5-HMF加氢[26]。
4.2 醇类催化转移氢化是指采用含氢的多原子分子如异丙醇[28, 32, 76]，甲酸[20]，水[77]等替代分子H2作为氢源。醇类如乙醇、异丙醇、正丁醇等作为反应溶剂，可以为5-HMF催化加氢过程提供部分氢源，促使其转化为目标产物2, 5-DMF。有研究表明，碳链长度可能影响醇溶液催化转移氢化性能。Li等[2]在不通H2的情况下，仅以甲醇为溶剂，2, 5-DMF收率明显下降；当使用碳数大于2的醇时，与通H2条件相比，2, 5-DMF收率仅略微降低，由此得出具有中等碳链长度的醇更适宜作为该催化体系溶剂的结论。除碳链长度外，羟基数目也可能影响催化活性。Yang等[71]以含氢聚硅氧烷(PHMS)为氢源，并以甲醇为模型，对甲醇(CH3OH)及其同位素(CH3OD和CD3OD)进行动力学研究，发现CH3O-H键断裂后生成的醇盐会亲核加成到氢源PHMS的硅基上，促进PHMS释放H。与伯醇相比，仲醇在和PHMS反应时存在较大空间位阻，不利于PHMS脱氢，目标产物收率明显降低。
4.3 水和双相体系水低价环保，是5-HMF选择性加氢反应中的理想溶剂，但5-HMF在水中易分解生成乙酰丙酸和甲酸等副产物[21]，为抑制5-HMF的降解，通常在水相中加入一种难溶于水的有机溶剂构成水-有机溶剂双相体系，使生成的5-HMF迅速转移至有机相中，避免与水的接触，从而提高收率。2007年，Dumesic课题组[3]曾报道使用NaCl水溶液和1-丁醇组合的双相溶剂体系。他们将果糖溶解在NaCl水溶液中，以HCl为催化剂，生成的5-HMF用1-丁醇萃取到有机相中，然后进一步加氢制备2, 5-DMF。然而，大量使用有机溶剂易对环境造成污染，因此需要寻找更加绿色的溶剂。Bordoloi等[15]以5-HMF为原料，采用负载在掺氮介孔碳上的Ni催化剂(Ni-CNx)，由于金属-载体之间的强界面相互作用，处于零价态的金属Ni可稳定存在。该催化剂能在水性介质中有效催化5-HMF转化为2, 5-DMF，得到2, 5-DMF收率为97%。反应直接以水为溶剂，实现了绿色环保，但5-HMF在水溶液中并未发生分解，与之前文献报道[21]相悖，遗憾的是作者并未对此进行解释。
4.4 其他溶剂离子液体如[EMIM] Cl虽然在碳水化合物脱水生成5-HMF这一步骤中，可作为溶剂和催化剂发挥重要作用，但由于H2在离子液体中溶解度较低[17]，使5-HMF不能有效加氢导致收率不高，且离子液体造价昂贵、回收困难，近年研究逐渐减少。2014年，Kawanami等[30]报道使用超临界CO2/H2O作溶剂，以Pd /C为催化剂，通过控制CO2的压力实现对5-HMF的选择性加氢。当CO2的压力为10 MPa，得到2, 5-DMF的收率接近100%。虽然该反应结果较为理想，但需在高压条件下反应，存在较大安全隐患，且制备超临界CO2成本较高，并不适于进一步研究。最近，本课题组[1, 78]研究发现N, N-二甲基甲酰胺是一种优良的溶剂，能同时溶解果糖和反应中间体5-HMF，在果糖制备2, 5-DMF时无需将5-HMF分离提纯，可直接进行后续反应，在一步制备2, 5-DMF收率方面取得了一定进展。
5 总结与展望2, 5-二甲基呋喃(2, 5-DMF)是一种有前景的新型替代液体燃料，对缓解能源短缺和改善环境污染问题方面具有重要意义，因此从生物质及其平台衍生物5-HMF转化制备2, 5-DMF成为近十年来国内外科研工作者研究的热点。负载型Pd、Ru、Ni催化剂和双金属催化剂能在较为温和的反应条件下催化5-HMF选择性加氢生成2, 5-DMF，并在提高选择性和收率方面取得了极大突破。但5-HMF价格昂贵，不能作为原料进行大规模生产。而由生物质制备2, 5-DMF存在葡萄糖、纤维素降解困难，中间体5-HMF难以分离提纯，收率较低等问题。目前，从生物质一步制备2, 5-DMF的研究工作还处在初始阶段，为了实现2, 5-DMF的高效制备和工业化生产，在今后的研究中需要重点关注以下几点：
(1) 以碳水化合物如葡萄糖、纤维素为原料直接制备2, 5-DMF，需要在现有的工作基础上，开发新的催化剂和溶剂体系来提高其降解效率，获得较高收率。同时深入研究其催化反应机理，探讨影响2, 5-DMF生成的关键因素，为精确调控反应产物提供理论依据。
(2) 与单金属催化剂相比，双金属催化剂具有高效、低成本等优点，但其作用机制尚不明确，现有文献解释较为单一；此外，反应中易生成胡敏素等聚合物阻塞金属活性位点[11]，造成催化剂失活中毒难以多次使用等问题。探索催化剂作用机制与失活机制，并在此基础上进行优化改进，有利于获得更加高效稳定的催化体系。
(3) 寻找合适的载体或对现有载体进行改性以提高催化剂性能。将杂原子掺杂在碳材料中对其改性可以增强载体和金属纳米颗粒之间的相互作用，避免金属纳米粒子在催化过程中溢出。氮原子不仅能提供与金属结合的强键，还可以作为电子给体，促进反应进行[15]，因此采用掺氮碳作为金属载体是未来值得研究的方向。
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