綠色催化劑與地球上豐富的金屬加速生產(chǎn)生物塑料

晶體結(jié)構(gòu)如何影響二氧化錳催化劑的性能

東京理工大學(xué)(Tokyo Institute of Technology，簡稱:東京理工大學(xué))的科學(xué)家開發(fā)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(duì)于生產(chǎn)新原料至關(guān)重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的不可再生原料用于制造許多塑料。

對(duì)于大多數(shù)讀者來說，找到不可再生自然資源的替代品是當(dāng)前研究的一個(gè)關(guān)鍵話題，這并不奇怪。制造當(dāng)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(xù)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(yīng)需要催化劑的存在，這有助于反應(yīng)的中間步驟，以便最終產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)。

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(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)檫@些金屬并不普遍。其他研究人員發(fā)現(xiàn)，錳氧化物與某些金屬(如鐵和銅)結(jié)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(gè)科學(xué)家小組報(bào)告了一項(xiàng)更偉大的發(fā)現(xiàn):如果二氧化錳(MnO2)制成的晶體具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)對(duì)FDCA的催化活性最好，以及原因。他們通過計(jì)算分析和現(xiàn)有的理論推斷出，由于HMF氧化的步驟，晶體的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。首先,匯總轉(zhuǎn)移一定數(shù)量的氧原子的襯底(羥甲基糠醛或其他副產(chǎn)品)和成為MnO2-δ。然后,因?yàn)檠鯕鈿夥障逻M(jìn)行反應(yīng),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(guān)，而氧空位隨晶體結(jié)構(gòu)的不同而變化很大。事實(shí)上，研究小組計(jì)算出活性氧位點(diǎn)的空位形成能量更低(因此更好)。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，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(wǎng)站由于其活躍的平面氧氣。不僅其空位形成能低于其他結(jié)構(gòu)，而且材料本身被證明是非常穩(wěn)定的，即使是用于羥甲基糠醛的氧化反應(yīng)。團(tuán)隊(duì)并沒有就此止步,他們提出了一種新的合成方法產(chǎn)生高度純?chǔ)?MnO2大表面積以提高FDCA產(chǎn)量和進(jìn)一步加速氧化過程。“合成high-surface-areaβ-MnO2是一種很有前途的戰(zhàn)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(xué)方法，未來的二氧化錳催化劑的開發(fā)已經(jīng)啟動(dòng)?！斑M(jìn)一步功能化β-MnO2將打開一個(gè)新的大道發(fā)展的高效氧化催化劑的各種biomass-derived化合物,”瑞總結(jié)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(jī)。