Reemplazo de PET de base fósil, conocida como materia prima de botellas de refrescos, con PEF de base biológica contribuye en gran medida a la reducción de CO 2 emisiones. Crédito:Keigo Kamata del Instituto de Tecnología de Tokio
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) han desarrollado y analizado un catalizador novedoso para la oxidación de 5-hidroximetil furfural, lo cual es crucial para generar nuevas materias primas que reemplacen las clásicas no renovables que se utilizan para fabricar muchos plásticos.
No debería sorprender a la mayoría de los lectores que encontrar una alternativa a los recursos naturales no renovables sea un tema clave en la investigación actual. Algunas de las materias primas necesarias para la fabricación de muchos de los plásticos actuales involucran recursos fósiles no renovables, carbón y gas natural, y se ha dedicado mucho esfuerzo a encontrar alternativas sostenibles. 2, El ácido 5-furandicarboxílico (FDCA) es una materia prima atractiva que se puede utilizar para crear furanoato de polietileno, que es un bio-poliéster con muchas aplicaciones.
Una forma de producir FDCA es a través de la oxidación de 5-hidroximetil furfural (HMF), un compuesto que se puede sintetizar a partir de celulosa. Sin embargo, las reacciones de oxidación necesarias requieren la presencia de un catalizador, lo que ayuda en los pasos intermedios de la reacción para que se pueda lograr el producto final.
Muchos de los catalizadores estudiados para su uso en la oxidación de HMF involucran metales preciosos; esto es claramente un inconveniente porque estos metales no están ampliamente disponibles. Otros investigadores han descubierto que los óxidos de manganeso combinados con ciertos metales (como el hierro y el cobre) pueden usarse como catalizadores. Aunque este es un paso en la dirección correcta, Un equipo de científicos de Tokyo Tech ha informado de un hallazgo aún mayor:dióxido de manganeso (MnO 2 ) se puede utilizar por sí solo como un catalizador eficaz si los cristales elaborados con él tienen la estructura adecuada.
Estructuras de (a) α-MnO 2 , (b) β-MnO 2 , (c) γ-MnO 2 , (d) δ-MnO 2 , y (e) λ-MnO 2 . Rosado, verde, y las esferas rojas representan Mn, K, y O átomos, respectivamente. De estos, β-MnO 2 es el más prometedor como catalizador de reacciones de oxidación debido a la disposición y características de sus átomos de oxígeno. Crédito:Keigo Kamata del Instituto de Tecnología de Tokio
El equipo, que incluye al profesor asociado Keigo Kamata y al profesor Michikazu Hara, trabajó para determinar qué MnO 2 La estructura cristalina tendría la mejor actividad catalítica para producir FDCA y por qué. Infirieron a través de análisis computacionales y la teoría disponible que la estructura de los cristales era crucial debido a los pasos involucrados en la oxidación de HMF. Primero, MnO 2 transfiere una cierta cantidad de átomos de oxígeno al sustrato (HMF u otros subproductos) y se convierte en MnO2-δ. Luego, porque la reacción se lleva a cabo bajo una atmósfera de oxígeno, MnO2-δ se oxida rápidamente y se convierte en MnO 2 de nuevo. La energía requerida para este proceso está relacionada con la energía requerida para la formación de vacantes de oxígeno, que varía mucho con la estructura cristalina. De hecho, el equipo calculó que los sitios de oxígeno activo tenían una energía de formación de vacantes menor (y por lo tanto mejor).
Para verificar esto, sintetizaron varios tipos de MnO 2 cristales como se muestra en la Figura, y luego comparó su desempeño a través de numerosos análisis. De estos cristales, β-MnO 2 fue el más prometedor debido a sus sitios de oxígeno planos activos. No solo su energía de formación de vacantes era más baja que la de otras estructuras, pero se demostró que el material en sí es muy estable incluso después de haber sido utilizado para reacciones de oxidación en HMF.
El equipo no se detuvo ahí, aunque, ya que propusieron un nuevo método de síntesis para producir β-MnO de alta pureza 2 con una gran superficie para mejorar el rendimiento de FDCA y acelerar aún más el proceso de oxidación. "La síntesis de β-MnO de gran superficie 2 es una estrategia prometedora para la oxidación altamente eficiente de HMF con MnO 2 catalizadores, "afirma Kamata.
Con el enfoque metodológico adoptado por el equipo, el desarrollo futuro de MnO 2 catalizadores se ha puesto en marcha. "Mayor funcionalización de β-MnO 2 abrirá una nueva vía para el desarrollo de catalizadores altamente eficientes para la oxidación de diversos compuestos derivados de la biomasa, ", concluye Hara. Investigaciones como ésta aseguran que las materias primas renovables estarán disponibles para la humanidad para evitar todo tipo de crisis de escasez.
