Sostituzione del PET a base fossile, conosciuta come materia prima di bottiglie per bibite, con il PEF a base biologica contribuisce ampiamente alla riduzione di CO 2 emissioni. Credito:Keigo Kamata del Tokyo Institute of Technology
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno sviluppato e analizzato un nuovo catalizzatore per l'ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale, fondamentale per generare nuove materie prime che sostituiscano le classiche non rinnovabili utilizzate per la produzione di molte materie plastiche.
Non dovrebbe sorprendere la maggior parte dei lettori che trovare un'alternativa alle risorse naturali non rinnovabili sia un argomento chiave nella ricerca attuale. Alcune delle materie prime necessarie per la produzione di molte delle materie plastiche odierne coinvolgono risorse fossili non rinnovabili, carbone e gas naturale, e molti sforzi sono stati dedicati alla ricerca di alternative sostenibili. 2, L'acido 5-furandicarbossilico (FDCA) è una materia prima interessante che può essere utilizzata per creare polietilene furanoato, che è un bio-poliestere con molte applicazioni.
Un modo per produrre FDCA è attraverso l'ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF), un composto che può essere sintetizzato dalla cellulosa. Però, le necessarie reazioni di ossidazione richiedono la presenza di un catalizzatore, che aiuta nelle fasi intermedie della reazione in modo che il prodotto finale possa essere ottenuto.
Molti dei catalizzatori studiati per l'uso nell'ossidazione dell'HMF coinvolgono metalli preziosi; questo è chiaramente un inconveniente perché questi metalli non sono ampiamente disponibili. Altri ricercatori hanno scoperto che gli ossidi di manganese combinati con alcuni metalli (come ferro e rame) possono essere usati come catalizzatori. Anche se questo è un passo nella giusta direzione, una scoperta ancora più grande è stata riportata da un team di scienziati della Tokyo Tech:il biossido di manganese (MnO 2 ) può essere utilizzato da solo come un catalizzatore efficace se i cristalli realizzati con esso hanno la struttura appropriata.
Strutture di (a) α-MnO 2 , (b) β-MnO 2 , (c) γ-MnO 2 , (d) δ-MnO 2 , e (e) λ-MnO 2 . Rosa, verde, e le sfere rosse rappresentano Mn, K, e atomi di O, rispettivamente. Di questi, -MnO 2 è il più promettente come catalizzatore per reazioni di ossidazione a causa della disposizione e delle caratteristiche dei suoi atomi di ossigeno. Credito:Keigo Kamata del Tokyo Institute of Technology
Il gruppo, che include il Professore Associato Keigo Kamata e il Professor Michikazu Hara, lavorato per determinare quale MnO 2 la struttura cristallina avrebbe la migliore attività catalitica per produrre FDCA e perché. Hanno dedotto attraverso analisi computazionali e la teoria disponibile che la struttura dei cristalli era cruciale a causa dei passaggi coinvolti nell'ossidazione dell'HMF. Primo, MnO 2 trasferisce una certa quantità di atomi di ossigeno al substrato (HMF o altri sottoprodotti) e diventa MnO2-δ. Quindi, perché la reazione avviene in atmosfera di ossigeno, MnO2-δ si ossida rapidamente e diventa MnO 2 ancora. L'energia richiesta per questo processo è correlata all'energia richiesta per la formazione delle vacanze di ossigeno, che varia molto con la struttura cristallina. Infatti, il team ha calcolato che i siti di ossigeno attivo avevano un'energia di formazione del vuoto inferiore (e quindi migliore).
Per verificare questo, hanno sintetizzato vari tipi di MnO 2 cristalli, come mostrato in figura, e poi confrontato le loro prestazioni attraverso numerose analisi. Di questi cristalli, -MnO 2 era il più promettente a causa dei suoi siti di ossigeno planari attivi. Non solo la sua energia di formazione del posto vacante era inferiore a quella di altre strutture, ma il materiale stesso si è dimostrato molto stabile anche dopo essere stato utilizzato per reazioni di ossidazione su HMF.
La squadra non si è fermata qui, anche se, poiché hanno proposto un nuovo metodo di sintesi per produrre β-MnO . altamente puro 2 con un'ampia superficie per migliorare la resa FDCA e accelerare ulteriormente il processo di ossidazione. "La sintesi di -MnO . ad alta superficie 2 è una strategia promettente per l'ossidazione altamente efficiente di HMF con MnO 2 catalizzatori, " afferma Kamata.
Con l'approccio metodologico adottato dal team, il futuro sviluppo di MnO 2 catalizzatori è stato avviato. "Ulteriore funzionalizzazione di β-MnO 2 aprirà una nuova strada per lo sviluppo di catalizzatori altamente efficienti per l'ossidazione di vari composti derivati dalla biomassa, " conclude Hara. Ricerche come questa assicurano che le materie prime rinnovabili saranno a disposizione dell'umanità per evitare ogni tipo di crisi di carenza.
