東京工業(yè)大學(xué)(東京工業(yè)大學(xué))的科學(xué)家們開發(fā)并分析了一種新型催化劑，用于氧化5-羥甲基糠醛，這對于生成新原料至關(guān)重要，這些原料取代了用于制造許多塑料的經(jīng)典不可再生原料。

對于大多數(shù)讀者而言，找到替代不可再生自然資源的替代品是當(dāng)前研究的一個(gè)關(guān)鍵主題應(yīng)該不足為奇。制造當(dāng)今許多塑料所需的一些原材料涉及不可再生的化石資源，煤和天然氣，并且已經(jīng)投入大量精力尋找可持續(xù)的替代品。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一種有吸引力的原料，可用于制造聚呋喃乙酸酯，這是一種具有許多應(yīng)用的生物聚酯。

制備FDCA的一種方法是通過氧化5-羥甲基糠醛(HMF)，一種可以由纖維素合成的化合物。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，從而可以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)物。

研究用于HMF氧化的許多催化劑涉及貴金屬;這顯然是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)檫@些金屬不是廣泛可用的。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)合可用作催化劑。雖然這是朝著正確方向邁出的一步，但東京理工大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道了更大的發(fā)現(xiàn)：二氧化錳(MnO2)本身可以用作有效的催化劑，如果用它制造的晶體具有合適的催化劑結(jié)構(gòu)體。

該團(tuán)隊(duì)包括KeigoKamata副教授和MichikazuHara教授，他們致力于確定哪種MnO2晶體結(jié)構(gòu)具有最佳的FDCA催化活性及其原因。他們通過計(jì)算分析和現(xiàn)有理論推斷，由于HMF氧化所涉及的步驟，晶體的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。首先，MnO2將一定量的氧原子轉(zhuǎn)移到基板(HMF或其他副產(chǎn)物)并變成MnO2-δ。然后，因?yàn)榉磻?yīng)在氧氣氛下進(jìn)行，所以MnO2-δ迅速氧化并變成MnO2再次。該過程所需的能量與形成氧空位所需的能量有關(guān)，氧空位隨晶體結(jié)構(gòu)而變化很大。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出活性氧位點(diǎn)具有較低(因此更好)的空位形成能。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，他們合成了各種類型的MnO2晶體，然后通過大量分析比較了它們的性能。在這些晶體中，β-MnO2是最有希望的，因?yàn)樗哂谢钚缘钠矫嫜跷?。它的空位形成能量不僅低于其他結(jié)構(gòu)，而且即使用于HMF的氧化反應(yīng)，材料本身也被證明非常穩(wěn)定。

然而，該團(tuán)隊(duì)并未就此止步，因?yàn)樗麄兲岢隽艘环N新的合成方法來生產(chǎn)具有大表面積的高純度β-MnO2，以便進(jìn)一步提高FDCA產(chǎn)率并加速氧化過程。“高表面積β-MnO2的合成是用MnO2催化劑高效氧化HMF的有前景的策略，”Kamata說。

采用該團(tuán)隊(duì)采用的方法學(xué)方法，MnO2催化劑的未來發(fā)展已經(jīng)啟動?！斑M(jìn)一步功能化β-MnO2將為開發(fā)用于氧化各種生物質(zhì)衍生化合物的高效催化劑開辟一條新途徑，”Hara總結(jié)道。像這樣的研究確保人類可以獲得可再生原料，以避免各種類型的短缺危機(jī)。