含有地球丰富金属的绿色催化剂可加速生物基塑料的生产

东京工业大学(东京工业大学)的科学家们开发并分析了一种新型催化剂，用于氧化5-羟甲基糠醛，这对于生成新原料至关重要，这些原料取代了用于制造许多塑料的经典不可再生原料。

对于大多数读者而言，找到替代不可再生自然资源的替代品是当前研究的一个关键主题应该不足为奇。制造当今许多塑料所需的一些原材料涉及不可再生的化石资源，煤和天然气，并且已经投入大量精力寻找可持续的替代品。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种有吸引力的原料，可用于制造聚呋喃乙酸酯，这是一种具有许多应用的生物聚酯。

制备FDCA的一种方法是通过氧化5-羟甲基糠醛(HMF)，一种可以由纤维素合成的化合物。然而，必要的氧化反应需要催化剂的存在，这有助于反应的中间步骤，从而可以实现最终产物。

研究用于HMF氧化的许多催化剂涉及贵金属;这显然是一个缺点，因为这些金属不是广泛可用的。其他研究人员发现锰氧化物与某些金属(如铁和铜)结合可用作催化剂。虽然这是朝着正确方向迈出的一步，但东京理工大学的科学家团队已经报道了更大的发现：二氧化锰(MnO2)本身可以用作有效的催化剂，如果用它制造的晶体具有合适的催化剂结构体。

该团队包括KeigoKamata副教授和MichikazuHara教授，他们致力于确定哪种MnO2晶体结构具有最佳的FDCA催化活性及其原因。他们通过计算分析和现有理论推断，由于HMF氧化所涉及的步骤，晶体的结构是至关重要的。首先，MnO2将一定量的氧原子转移到基板(HMF或其他副产物)并变成MnO2-δ。然后，因为反应在氧气氛下进行，所以MnO2-δ迅速氧化并变成MnO2再次。该过程所需的能量与形成氧空位所需的能量有关，氧空位随晶体结构而变化很大。事实上，该团队计算出活性氧位点具有较低(因此更好)的空位形成能。

为了验证这一点，他们合成了各种类型的MnO2晶体，然后通过大量分析比较了它们的性能。在这些晶体中，β-MnO2是最有希望的，因为它具有活性的平面氧位。它的空位形成能量不仅低于其他结构，而且即使用于HMF的氧化反应，材料本身也被证明非常稳定。

然而，该团队并未就此止步，因为他们提出了一种新的合成方法来生产具有大表面积的高纯度β-MnO2，以便进一步提高FDCA产率并加速氧化过程。“高表面积β-MnO2的合成是用MnO2催化剂高效氧化HMF的有前景的策略，”Kamata说。

采用该团队采用的方法学方法，MnO2催化剂的未来发展已经启动。“进一步功能化β-MnO2将为开发用于氧化各种生物质衍生化合物的高效催化剂开辟一条新途径，”Hara总结道。像这样的研究确保人类可以获得可再生原料，以避免各种类型的短缺危机。