Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld en geanalyseerd voor de oxidatie van 5-hydroxymethylfurfural, wat cruciaal is voor het genereren van nieuwe grondstoffen die de klassieke niet-hernieuwbare materialen vervangen die worden gebruikt voor het maken van veel kunststoffen.

Het zal voor de meeste lezers geen verrassing zijn dat het vinden van een alternatief voor niet-hernieuwbare natuurlijke hulpbronnen een belangrijk onderwerp is in huidig ​​onderzoek. Sommige van de grondstoffen die nodig zijn voor de productie van veel van de hedendaagse kunststoffen, zijn niet-hernieuwbare fossiele hulpbronnen, kolen en aardgas, en er is veel energie gestoken in het vinden van duurzame alternatieven. 2, 5-Furandicarbonzuur (FDCA) is een aantrekkelijke grondstof die kan worden gebruikt om polyethyleenfuranoaat te maken, dat is een bio-polyester met vele toepassingen.

Een manier om FDCA te maken is door de oxidatie van 5-hydroxymethylfurfural (HMF), een verbinding die kan worden gesynthetiseerd uit cellulose. Echter, de noodzakelijke oxidatiereacties vereisen de aanwezigheid van een katalysator, die helpt bij de tussenstappen van de reactie, zodat het eindproduct kan worden bereikt.

Veel van de onderzochte katalysatoren voor gebruik bij de oxidatie van HMF hebben betrekking op edele metalen; dit is duidelijk een nadeel omdat deze metalen niet overal verkrijgbaar zijn. Andere onderzoekers hebben ontdekt dat mangaanoxiden in combinatie met bepaalde metalen (zoals ijzer en koper) als katalysator kunnen worden gebruikt. Hoewel dit een stap in de goede richting is, een nog grotere bevinding is gemeld door een team van wetenschappers van Tokyo Tech:mangaandioxide (MnO ₂ ) kan op zichzelf worden gebruikt als een effectieve katalysator als de kristallen die ermee worden gemaakt de juiste structuur hebben.

Het team, waaronder universitair hoofddocent Keigo Kamata en professor Michikazu Hara, gewerkt om te bepalen welke MnO ₂ kristalstructuur zou de beste katalytische activiteit hebben voor het maken van FDCA en waarom. Ze concludeerden door computationele analyses en de beschikbare theorie dat de structuur van de kristallen cruciaal was vanwege de stappen die betrokken waren bij de oxidatie van HMF. Eerst, MnO ₂ brengt een bepaalde hoeveelheid zuurstofatomen over op het substraat (HMF of andere bijproducten) en wordt MnO2-δ. Vervolgens, omdat de reactie wordt uitgevoerd onder een zuurstofatmosfeer, MnO2-δ oxideert snel en wordt MnO ₂ opnieuw. De energie die nodig is voor dit proces is gerelateerd aan de energie die nodig is voor de vorming van zuurstofvacatures, die sterk varieert met de kristalstructuur. In feite, het team berekende dat actieve zuurstoflocaties een lagere (en dus betere) energie voor leegstandsvorming hadden.

Om dit te verifiëren, ze synthetiseerden verschillende soorten MnO ₂ Kristallen, zoals te zien in figuur, en vervolgens hun prestaties vergeleken door middel van talrijke analyses. Van deze kristallen β-MnO ₂ was de meest veelbelovende vanwege zijn actieve vlakke zuurstofplaatsen. Niet alleen was de leegstandsvormingsenergie lager dan die van andere structuren, maar het materiaal zelf bleek zeer stabiel te zijn, zelfs na gebruik voor oxidatiereacties op HMF.

Het team stopte daar niet, Hoewel, omdat ze een nieuwe synthesemethode voorstelden om zeer zuiver β-MnO . op te leveren ₂ met een groot oppervlak om de FDCA-opbrengst te verbeteren en het oxidatieproces nog verder te versnellen. "De synthese van high-surface-area -MnO ₂ is een veelbelovende strategie voor de zeer efficiënte oxidatie van HMF met MnO ₂ katalysatoren, ’ zegt Kamata.

Met de methodologische aanpak van het team, de toekomstige ontwikkeling van MnO ₂ katalysatoren is gestart. "Verdere functionalisering van β-MnO ₂ zal een nieuwe weg openen voor de ontwikkeling van zeer efficiënte katalysatoren voor de oxidatie van verschillende van biomassa afgeleide verbindingen, " concludeert Hara. Onderzoeken zoals deze zorgen ervoor dat hernieuwbare grondstoffen voor de mensheid beschikbaar komen om alle soorten tekortcrises te voorkomen.