Grønne katalysatorer med jordrige metaller fremskynder produktionen af ​​biobaseret plast

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet og analyseret en ny katalysator til oxidation af 5-hydroxymethylfurfural, som er afgørende for at generere nye råvarer, der erstatter de klassiske ikke-fornybare, der bruges til fremstilling af mange plastik.

Det burde ikke være nogen overraskelse for de fleste læsere, at det at finde et alternativ til ikke-fornybare naturressourcer er et nøgleemne i den nuværende forskning. Nogle af de råmaterialer, der kræves til fremstilling af mange af nutidens plast, involverer ikke-fornybare fossile ressourcer, kul og naturgas, og der er brugt mange kræfter på at finde bæredygtige alternativer. 2, 5-furandicarboxylsyre (FDCA) er et attraktivt råmateriale, der kan bruges til at skabe polyethylenfuranoat, som er en bio-polyester med mange anvendelsesmuligheder.

En måde at fremstille FDCA på er gennem oxidation af 5-hydroxymethylfurfural (HMF), en forbindelse, der kan syntetiseres ud fra cellulose. Imidlertid, de nødvendige oxidationsreaktioner kræver tilstedeværelsen af ​​en katalysator, hvilket hjælper i reaktionens mellemtrin, så det endelige produkt kan opnås.

Mange af de undersøgte katalysatorer til brug ved oxidation af HMF involverer ædelmetaller; dette er klart en ulempe, fordi disse metaller ikke er almindeligt tilgængelige. Andre forskere har fundet ud af, at manganoxider kombineret med visse metaller (såsom jern og kobber) kan bruges som katalysatorer. Selvom dette er et skridt i den rigtige retning, et endnu større fund er blevet rapporteret af et team af forskere fra Tokyo Tech:mangandioxid (MnO ₂ ) kan anvendes alene som en effektiv katalysator, hvis krystallerne fremstillet med den har den passende struktur.

Holdet, som omfatter lektor Keigo Kamata og professor Michikazu Hara, arbejdet på at bestemme hvilken MnO ₂ krystalstruktur ville have den bedste katalytiske aktivitet til fremstilling af FDCA og hvorfor. De udledte gennem beregningsmæssige analyser og den tilgængelige teori, at strukturen af ​​krystallerne var afgørende på grund af de trin, der var involveret i oxidationen af ​​HMF. Først, MnO ₂ overfører en vis mængde oxygenatomer til substratet (HMF eller andre biprodukter) og bliver til MnO2-δ. Derefter, fordi reaktionen udføres under en oxygenatmosfære, MnO2-δ oxiderer hurtigt og bliver til MnO ₂ igen. Den energi, der kræves til denne proces, er relateret til den energi, der kræves til dannelsen af ​​ilttomrum, som varierer meget med krystalstrukturen. Faktisk, holdet beregnede, at aktive iltsteder havde en lavere (og dermed bedre) ledighedsdannelsesenergi.

For at bekræfte dette, de syntetiserede forskellige typer MnO ₂ krystaller, som vist på figuren, og sammenlignede derefter deres præstationer gennem adskillige analyser. Af disse krystaller, β-MnO ₂ var den mest lovende på grund af dens aktive plane oxygensteder. Ikke alene var dens tomgangsdannelsesenergi lavere end andre strukturers, men selve materialet viste sig at være meget stabilt, selv efter at være blevet brugt til oxidationsreaktioner på HMF.

Holdet stoppede ikke der, selvom, da de foreslog en ny syntesemetode for at give meget ren β-MnO ₂ med et stort overfladeareal for at forbedre FDCA-udbyttet og accelerere oxidationsprocessen yderligere. "Syntesen af ​​β-MnO med højt overfladeareal ₂ er en lovende strategi for den højeffektive oxidation af HMF med MnO ₂ katalysatorer, " fastslår Kamata.

Med teamets metodiske tilgang, den fremtidige udvikling af MnO ₂ katalysatorer er blevet kickstartet. "Yderligere funktionalisering af β-MnO ₂ vil åbne en ny vej for udvikling af højeffektive katalysatorer til oxidation af forskellige biomasse-afledte forbindelser, " konkluderer Hara. Undersøgelser som denne sikrer, at vedvarende råmaterialer vil være tilgængelige for menneskeheden for at undgå alle former for mangelkriser.