Ersätter fossilbaserad PET, känd som råvara för läskflaskor, med biobaserad PEF bidrar till stor del minskning av CO 2 utsläpp. Kredit:Keigo Kamata från Tokyo Institute of Technology
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat och analyserat en ny katalysator för oxidation av 5-hydroximetylfurfural, vilket är avgörande för att generera nya råvaror som ersätter de klassiska icke-förnybara som används för att tillverka många plaster.
Det borde inte vara någon överraskning för de flesta läsare att hitta ett alternativ till icke-förnybara naturresurser är ett nyckelämne i aktuell forskning. En del av de råvaror som krävs för att tillverka många av dagens plaster involverar icke-förnybara fossila resurser, kol och naturgas, och mycket arbete har lagts ner på att hitta hållbara alternativ. 2, 5-furandikarboxylsyra (FDCA) är ett attraktivt råmaterial som kan användas för att skapa polyetenfuranoat, som är en biopolyester med många användningsområden.
Ett sätt att göra FDCA är genom oxidation av 5-hydroximetylfurfural (HMF), en förening som kan syntetiseras från cellulosa. Dock, de nödvändiga oxidationsreaktionerna kräver närvaron av en katalysator, vilket hjälper till i de mellanliggande stegen av reaktionen så att den slutliga produkten kan uppnås.
Många av de studerade katalysatorerna för användning vid oxidation av HMF involverar ädelmetaller; detta är helt klart en nackdel eftersom dessa metaller inte är allmänt tillgängliga. Andra forskare har funnit att manganoxider i kombination med vissa metaller (som järn och koppar) kan användas som katalysatorer. Även om detta är ett steg i rätt riktning, ett ännu större fynd har rapporterats av ett team av forskare från Tokyo Tech:mangandioxid (MnO) 2 ) kan användas i sig själv som en effektiv katalysator om kristallerna gjorda med den har lämplig struktur.
Strukturer av (a) a-MnO 2 , (b) P-MnO 2 , (c) y-MnO 2 , (d) 5-MnO 2 , och (e) X-MnO 2 . Rosa, grön, och röda sfärer representerar Mn, K, och O-atomer, respektive. Av dessa, p-MnO 2 är den mest lovande som katalysator för oxidationsreaktioner på grund av dess syreatomers disposition och egenskaper. Kredit:Keigo Kamata från Tokyo Institute of Technology
Laget, som inkluderar docent Keigo Kamata och professor Michikazu Hara, arbetat för att fastställa vilken MnO 2 kristallstrukturen skulle ha den bästa katalytiska aktiviteten för att göra FDCA och varför. De drog slutsatsen genom beräkningsanalyser och den tillgängliga teorin att strukturen hos kristallerna var avgörande på grund av stegen som var involverade i oxidationen av HMF. Först, MnO 2 överför en viss mängd syreatomer till substratet (HMF eller andra biprodukter) och blir MnO2-δ. Sedan, eftersom reaktionen utförs under en syreatmosfär, MnO2-δ oxiderar snabbt och blir MnO 2 på nytt. Den energi som krävs för denna process är relaterad till den energi som krävs för bildandet av syrevakanser, som varierar mycket med kristallstrukturen. Faktiskt, teamet beräknade att aktiva syreställen hade en lägre (och därmed bättre) vakansbildningsenergi.
För att verifiera detta, de syntetiserade olika typer av MnO 2 kristaller, som visas i figuren, och sedan jämförde deras prestationer genom många analyser. Av dessa kristaller, p-MnO 2 var den mest lovande på grund av dess aktiva plana syreställen. Inte bara var dess vakansbildningsenergi lägre än för andra strukturer, men själva materialet visade sig vara mycket stabilt även efter att ha använts för oxidationsreaktioner på HMF.
Teamet stannade inte där, fastän, eftersom de föreslog en ny syntesmetod för att ge mycket ren β-MnO 2 med en stor yta för att förbättra FDCA-utbytet och påskynda oxidationsprocessen ytterligare. "Syntesen av β-MnO med hög yta 2 är en lovande strategi för högeffektiv oxidation av HMF med MnO 2 katalysatorer, " konstaterar Kamata.
Med teamets metodologiska tillvägagångssätt, den framtida utvecklingen av MnO 2 katalysatorer har kickstartats. "Ytterligare funktionalisering av β-MnO 2 kommer att öppna en ny väg för utveckling av högeffektiva katalysatorer för oxidation av olika biomassahärledda föreningar, " avslutar Hara. Forskning som denna säkerställer att förnybara råvaror kommer att vara tillgängliga för mänskligheten för att undvika alla typer av bristkriser.
