Les catalyseurs verts avec des métaux abondants sur Terre accélèrent la production de plastique biosourcé
Remplacement du PET d'origine fossile, connue comme matière première des bouteilles de boissons gazeuses, avec PEF biosourcé contribue largement à la réduction du CO 2 émissions. Crédit :Keigo Kamata de l'Institut de technologie de Tokyo
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont développé et analysé un nouveau catalyseur pour l'oxydation du 5-hydroxyméthyl furfural, ce qui est crucial pour générer de nouvelles matières premières qui remplacent les classiques non renouvelables utilisées pour la fabrication de nombreux plastiques.
Il ne devrait pas être surprenant pour la plupart des lecteurs que trouver une alternative aux ressources naturelles non renouvelables est un sujet clé dans la recherche actuelle. Certaines des matières premières nécessaires à la fabrication de nombreux plastiques d'aujourd'hui impliquent des ressources fossiles non renouvelables, charbon et gaz naturel, et beaucoup d'efforts ont été consacrés à la recherche d'alternatives durables. 2, L'acide 5-furandicarboxylique (FDCA) est une matière première intéressante qui peut être utilisée pour créer du furanoate de polyéthylène, qui est un bio-polyester avec de nombreuses applications.
Une façon de fabriquer du FDCA consiste à oxyder le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF), un composé qui peut être synthétisé à partir de la cellulose. Cependant, les réactions d'oxydation nécessaires nécessitent la présence d'un catalyseur, ce qui aide dans les étapes intermédiaires de la réaction afin que le produit final puisse être obtenu.
Bon nombre des catalyseurs étudiés pour l'utilisation dans l'oxydation du HMF impliquent des métaux précieux; c'est clairement un inconvénient car ces métaux ne sont pas largement disponibles. D'autres chercheurs ont découvert que les oxydes de manganèse combinés à certains métaux (comme le fer et le cuivre) peuvent être utilisés comme catalyseurs. Bien qu'il s'agisse d'un pas dans la bonne direction, une découverte encore plus importante a été rapportée par une équipe de scientifiques de Tokyo Tech :le dioxyde de manganèse (MnO 2 ) peut être utilisé seul comme catalyseur efficace si les cristaux fabriqués avec celui-ci ont la structure appropriée.
Structures de (a) α-MnO 2 , (b) -MnO 2 , (c) -MnO 2 , (d) -MnO 2 , et (e) λ-MnO 2 . Rose, vert, et les sphères rouges représentent Mn, K, et O atomes, respectivement. Parmi ceux-ci, -MnO 2 est le plus prometteur en tant que catalyseur de réactions d'oxydation en raison de la disposition et des caractéristiques de ses atomes d'oxygène. Crédit :Keigo Kamata de l'Institut de technologie de Tokyo
L'équipe, qui comprend le professeur agrégé Keigo Kamata et le professeur Michikazu Hara, travaillé pour déterminer quel MnO 2 la structure cristalline aurait la meilleure activité catalytique pour fabriquer du FDCA et pourquoi. Ils ont déduit à travers des analyses informatiques et la théorie disponible que la structure des cristaux était cruciale en raison des étapes impliquées dans l'oxydation du HMF. D'abord, MnO 2 transfère une certaine quantité d'atomes d'oxygène au substrat (HMF ou autres sous-produits) et devient MnO2-δ. Puis, parce que la réaction est effectuée sous une atmosphère d'oxygène, MnO2-δ s'oxyde rapidement et devient MnO 2 de nouveau. L'énergie nécessaire à ce processus est liée à l'énergie nécessaire à la formation des lacunes d'oxygène, qui varie beaucoup avec la structure cristalline. En réalité, l'équipe a calculé que les sites d'oxygène actif avaient une énergie de formation de lacunes inférieure (et donc meilleure).
Pour le vérifier, ils ont synthétisé divers types de MnO 2 cristaux, comme le montre la figure, puis comparé leurs performances à travers de nombreuses analyses. De ces cristaux, -MnO 2 était la plus prometteuse en raison de ses sites d'oxygène planaires actifs. Non seulement son énergie de formation de lacunes était inférieure à celle d'autres structures, mais le matériau lui-même s'est avéré très stable même après avoir été utilisé pour des réactions d'oxydation sur HMF.
L'équipe ne s'est pas arrêtée là, bien que, car ils ont proposé une nouvelle méthode de synthèse pour produire du β-MnO très pur 2 avec une grande surface spécifique afin d'améliorer le rendement en FDCA et d'accélérer encore le processus d'oxydation. "La synthèse d'-MnO de grande surface 2 est une stratégie prometteuse pour l'oxydation hautement efficace de HMF avec MnO 2 catalyseurs, " déclare Kamata.
Avec l'approche méthodologique adoptée par l'équipe, le développement futur du MnO 2 catalyseurs a été lancé. "Poursuite de la fonctionnalisation de β-MnO 2 ouvrira une nouvelle voie pour le développement de catalyseurs hautement efficaces pour l'oxydation de divers composés dérivés de la biomasse, " conclut Hara. Des recherches comme celle-ci assurent que des matières premières renouvelables seront disponibles à l'humanité pour éviter tous types de crises de pénurie.
