綠色催化劑與地球上豐富的金屬加速生產生物塑料

晶體結構如何影響二氧化錳催化劑的性能

東京理工大學(Tokyo Institute of Technology，簡稱:東京理工大學)的科學家開發并分析了一種新型催化劑，用于5-羥甲基糠醛的氧化。這種催化劑對于生產新原料至關重要，因為傳統的不可再生原料用于制造許多塑料。

對于大多數讀者來說，找到不可再生自然資源的替代品是當前研究的一個關鍵話題，這并不奇怪。制造當今塑料所需的一些原材料涉及不可再生的化石資源、煤炭和天然氣，人們付出了大量努力尋找可持續的替代能源。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一種很有吸引力的原料，可用于制備聚呋喃甲酸乙酯，這是一種用途廣泛的生物聚酯。制作FDCA的一種方法是通過氧化5-羥甲基糠醛(HMF)，一種可以從纖維素中合成的化合物。然而，必要的氧化反應需要催化劑的存在，這有助于反應的中間步驟，以便最終產品可以實現。

許多用于羥甲基糠醛氧化的催化劑都涉及貴金屬;這顯然是一個缺點，因為這些金屬并不普遍。其他研究人員發現，錳氧化物與某些金屬(如鐵和銅)結合可以用作催化劑。盡管這是朝著正確方向邁出的一步，但來自東京科技公司的一個科學家小組報告了一項更偉大的發現:如果二氧化錳(MnO2)制成的晶體具有適當的結構，那么二氧化錳本身就可以作為一種有效的催化劑。

該研究小組包括副教授釜田敬吾和原美一教授，他們致力于確定哪種二氧化錳晶體結構對FDCA的催化活性最好，以及原因。他們通過計算分析和現有的理論推斷出，由于HMF氧化的步驟，晶體的結構是至關重要的。首先,匯總轉移一定數量的氧原子的襯底(羥甲基糠醛或其他副產品)和成為MnO2-δ。然后,因為氧氣氣氛下進行反應,MnO2-δ迅速氧化,成為再次匯總。這一過程所需的能量與形成氧空位所需的能量有關，而氧空位隨晶體結構的不同而變化很大。事實上，研究小組計算出活性氧位點的空位形成能量更低(因此更好)。

為了驗證這一點，他們合成了各種類型的MnO2晶體，然后通過大量的分析比較它們的性能。這些晶體,β-MnO2最有前途的網站由于其活躍的平面氧氣。不僅其空位形成能低于其他結構，而且材料本身被證明是非常穩定的，即使是用于羥甲基糠醛的氧化反應。團隊并沒有就此止步,他們提出了一種新的合成方法產生高度純β-MnO2大表面積以提高FDCA產量和進一步加速氧化過程。“合成high-surface-areaβ-MnO2是一種很有前途的戰略羥甲基糠醛與匯總的高效氧化催化劑,”州Kamata。

隨著該小組采用的方法學方法，未來的二氧化錳催化劑的開發已經啟動。“進一步功能化β-MnO2將打開一個新的大道發展的高效氧化催化劑的各種biomass-derived化合物,”瑞總結道。這樣的研究確保了可再生原材料的可得性，避免了各種類型的短缺危機。