Single atom electrocatalysts (SAECs) exhibit intriguing catalytic performance due to their utmost atom-utilization efficiency and unique electronic structure. However, the application of SAECs is limited on simple reactions such as the hydrogen/oxygen evolution reactions, and oxygen/nitrogen reduction reactions. Herein, single copper atoms supported on nitrogen doped carbon nanosheets (Cu/NCNSs) were demonstrated as a versatile SAEC for biomass upgrade. The activity of Cu/NCNSs was benchmarked against commercial Cu nanoparticles. Twelve basic platform compounds including 5-hydroxymethylfurfural (HMF), furfural, glucose, formaldehyde, methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol, glycerol, benzyl alcohol, formic acid, and oxalic acid were employed as substrates. The products of electro-oxidation of these substrates were analyzed by high performance liquid chromatography. The reaction pathways and mechanisms of substrate oxidation on Cu/NCNSs and Cu NPs were explored by in-situ electrochemical Raman spectra. HMF oxidation on Cu NPs followed the 5-diformylfuran (DFF) path at lower potentials, while it turned to 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid path at applied potentials over 1.67 V. For Cu/NCNSs, HMF oxidation followed the alcohol hydroxyl oxidation pathway, that is, the direction of generating DFF. The active sites for substrate oxidation on Cu/NCNSs are different from those on Cu NPs. This work broadened the application of SAECs in the field of biomass upgrade, and paved a new route to fabricate advanced electrocatalysts for biomass valorization.

单原子电催化剂 (SAEC) 由于其最大的原子利用效率和独特的电子结构而表现出令人着迷的催化性能。然而，SAECs 的应用仅限于简单的反应，例如氢/氧析出反应和氧/氮还原反应。在此，负载在氮掺杂碳纳米片 (Cu/NCNSs) 上的单个铜原子被证明是一种用于生物质升级的多功能 SAEC。Cu/NCNSs 的活性以商业 Cu 纳米粒子为基准。以 5-羟甲基糠醛 (HMF)、糠醛、葡萄糖、甲醛、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甘油、苯甲醇、甲酸和草酸等 12 种基础平台化合物作为底物。通过高效液相色谱分析这些底物的电氧化产物。通过原位电化学拉曼光谱探索了 Cu/NCNSs 和 Cu NPs 上底物氧化的反应途径和机制。Cu NPs 上的 HMF 氧化在较低电位下遵循 5-二甲酰基呋喃 (DFF) 路径，而在施加电位超过 1.67 V 时转向 5-羟甲基-2-呋喃甲酸路径。对于 Cu/NCNSs，HMF 氧化遵循醇羟基氧化pathway，即产生DFF的方向。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。通过原位电化学拉曼光谱探索了 Cu/NCNSs 和 Cu NPs 上底物氧化的反应途径和机制。Cu NPs 上的 HMF 氧化在较低电位下遵循 5-二甲酰基呋喃 (DFF) 路径，而在施加电位超过 1.67 V 时转向 5-羟甲基-2-呋喃甲酸路径。对于 Cu/NCNSs，HMF 氧化遵循醇羟基氧化pathway，即产生DFF的方向。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。通过原位电化学拉曼光谱探索了 Cu/NCNSs 和 Cu NPs 上底物氧化的反应途径和机制。Cu NPs 上的 HMF 氧化在较低电位下遵循 5-二甲酰基呋喃 (DFF) 路径，而在施加电位超过 1.67 V 时转向 5-羟甲基-2-呋喃甲酸路径。对于 Cu/NCNSs，HMF 氧化遵循醇羟基氧化pathway，即产生DFF的方向。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。Cu NPs 上的 HMF 氧化在较低电位下遵循 5-二甲酰基呋喃 (DFF) 路径，而在施加电位超过 1.67 V 时转向 5-羟甲基-2-呋喃甲酸路径。对于 Cu/NCNSs，HMF 氧化遵循醇羟基氧化pathway，即产生DFF的方向。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。Cu NPs 上的 HMF 氧化在较低电位下遵循 5-二甲酰基呋喃 (DFF) 路径，而在施加电位超过 1.67 V 时转向 5-羟甲基-2-呋喃甲酸路径。对于 Cu/NCNSs，HMF 氧化遵循醇羟基氧化pathway，即产生DFF的方向。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。Cu/NCNS 上的底物氧化活性位点与 Cu NP 上的不同。这项工作拓宽了SAECs在生物质升级领域的应用，为制备用于生物质增值的先进电催化剂开辟了一条新途径。