Зеленые катализаторы из доступных металлов ускорят производство биопластика

Москва, 16:24, 08 Янв 2019, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.

Ученые из Токийского технологического института разработали и проанализировали новый катализатор для окисления 5-гидроксиметил фурфурола (HMF). Соединение необходимо для производства материалов, призванных заменить невозобновляемые компоненты пластика.

Производство пластика часто требует использования ископаемых ресурсов – угля и природного газа. Ученые приложили много усилий, чтобы найти им возобновляемые альтернативы. В частности, они сосредоточились на 2,5-фурандикарбоновой кислоте (FDCA), сообщает sciencedaily.com. Из нее изготавливают полиэтиленфураноат – биополиэстер с широким спектром свойств.

Один из способов получения FDCA – окисление HMF. Вещество можно синтезировать из целлюлозы. Но существующие окислительные реакции требуют присутствия катализатора на основе ценных металлов для реализации промежуточных этапов. Дорогие компоненты уменьшают потенциал материалов. Недавние исследования показали, что оксиды марганца, в сочетании с металлами, вроде железа и меди, могут служить катализаторами. Японские ученые продемонстрировали, что MnO₂ способен выполнять эту роль самостоятельно. Для этого необходимо получить кристаллы правильной структуры.

В ходе реакции диоксид марганца передает определенное количество атомов кислорода основе (фурфуролу или другому продукту), становясь MnO2-δ. Затем, так как процесс протекает в воздушной среде, он возвращается в исходное состояние. Необходимая для этого энергия связана с той, которая требуется для формирования кислородных вакансий. Этот параметр сильно зависит от структуры кристалла. Команда подсчитала, что активным центрам кислорода требуется меньше энергии для создания вакансий.

Исследователи доказали гипотезу экспериментально, создав и проанализировав различные типы кристаллов MnO₂. Лучшие результаты показала структура β-MnO₂. Помимо меньших затрат энергии, материал сохранил стабильность даже после нескольких реакций окисления HMF.

Команда также представила новый метод синтеза чистых β-MnO₂ с большой площадью поверхности. Кристаллы повысят эффективность производства FDCA и ускорят процесс окисления. Исследователи намерены продолжить функционализацию материала для создания новых катализаторов.

Исследование описано в журнале Journal of the American Chemical Society.