绿色催化剂与地球上丰富的金属加速生产生物塑料

晶体结构如何影响二氧化锰催化剂的性能

东京理工大学(Tokyo Institute of Technology，简称:东京理工大学)的科学家开发并分析了一种新型催化剂，用于5-羟甲基糠醛的氧化。这种催化剂对于生产新原料至关重要，因为传统的不可再生原料用于制造许多塑料。

对于大多数读者来说，找到不可再生自然资源的替代品是当前研究的一个关键话题，这并不奇怪。制造当今塑料所需的一些原材料涉及不可再生的化石资源、煤炭和天然气，人们付出了大量努力寻找可持续的替代能源。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种很有吸引力的原料，可用于制备聚呋喃甲酸乙酯，这是一种用途广泛的生物聚酯。制作FDCA的一种方法是通过氧化5-羟甲基糠醛(HMF)，一种可以从纤维素中合成的化合物。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，以便最终产品可以实现。

许多用于羟甲基糠醛氧化的催化剂都涉及贵金属;这显然是一个缺点，因为这些金属并不普遍。其他研究人员发现，锰氧化物与某些金属(如铁和铜)结合可以用作催化剂。尽管这是朝着正确方向迈出的一步，但来自东京科技公司的一个科学家小组报告了一项更伟大的发现:如果二氧化锰(MnO2)制成的晶体具有适当的结构，那么二氧化锰本身就可以作为一种有效的催化剂。

该研究小组包括副教授釜田敬吾和原美一教授，他们致力于确定哪种二氧化锰晶体结构对FDCA的催化活性最好，以及原因。他们通过计算分析和现有的理论推断出，由于HMF氧化的步骤，晶体的结构是至关重要的。首先,汇总转移一定数量的氧原子的衬底(羟甲基糠醛或其他副产品)和成为MnO2-δ。然后,因为氧气气氛下进行反应,MnO2-δ迅速氧化,成为再次汇总。这一过程所需的能量与形成氧空位所需的能量有关，而氧空位随晶体结构的不同而变化很大。事实上，研究小组计算出活性氧位点的空位形成能量更低(因此更好)。

为了验证这一点，他们合成了各种类型的MnO2晶体，然后通过大量的分析比较它们的性能。这些晶体,β-MnO2最有前途的网站由于其活跃的平面氧气。不仅其空位形成能低于其他结构，而且材料本身被证明是非常稳定的，即使是用于羟甲基糠醛的氧化反应。团队并没有就此止步,他们提出了一种新的合成方法产生高度纯β-MnO2大表面积以提高FDCA产量和进一步加速氧化过程。“合成high-surface-areaβ-MnO2是一种很有前途的战略羟甲基糠醛与汇总的高效氧化催化剂,”州Kamata。

随着该小组采用的方法学方法，未来的二氧化锰催化剂的开发已经启动。“进一步功能化β-MnO2将打开一个新的大道发展的高效氧化催化剂的各种biomass-derived化合物,”瑞总结道。这样的研究确保了可再生原材料的可得性，避免了各种类型的短缺危机。