دانشمندان فناوری توکیو (Tokyo Tech)، به بهبود و بررسی کاتالیزوری جدید جهت اکسیداسیون ۵-هیدروکسی‌متیل فورفورال (۵-hydroxymethyl furfural) پرداختند. این موضوع جهت تولید مواد اولیه جایگزینی جدید با انواع تجدیدناپذیر قدیمی مورد استفاده در ساخت بسیاری از پلاستیک‌ها حائز اهمیت است. به عقیده این گروه کاتالیست‌های سبز با فلزات فراوان زمین، سبب تسریع تولید بیوپلاستیک‌ها می‌شوند. از این‌رو دی‌اکسید منگنز (MnO۲) را به‌عنوان کاتالیزور جهت اکسیداسیون HMF معرفی کردند.
یافتن جایگزینی مناسب برای منابع طبیعی تجدیدناپذیر موضوعی کلیدی در تحقیقات اخیر است. برخی از مواد اولیه موردنیاز برای تولید بسیاری از پلاستیک‌های امروزی شامل منابع فسیلی تجدیدناپذیر، زغال‌سنگ و گاز طبیعی هستند لذا تلاش‌های فراوانی برای یافتن جایگزین‌های پایدار صورت گرفته است.
۵،۲-فوران‌دی‌کربوکسیلیک اسید (۲,۵-Furandicarboxylic acid) -به‌اختصار (FDCA)- ماده اولیه جذابی است که می‌تواند برای ایجاد پلی‌استر زیستی پرکاربرد پلی‌اتیلن فورانوئات (polyethylene furanoate) استفاده شود. یکی از راه‌های ساخت FDCA، اکسیداسیون ۵-هیدروکسی‌متیل فورفورال (HMF) -ترکیبی قابل سنتز از سلولز- است. با این حال، واکنش‌های اکسیداسیون لازم نیازمند حضور کاتالیزوری هستند که در مراحل میانی واکنش به تولید محصول نهایی کمک نماید.
بسیاری از کاتالیزورهای مورد مطالعه جهت استفاده در اکسیداسیون HMF شامل فلزات گران‌بها هستند. این به‌وضوح یک نقص است زیرا این فلزات به‌طور گسترده در دسترس نیستند. سایر محققان دریافتند که اکسیدهای منگنز ترکیب‌شده با فلزات خاصی مانند آهن و مس می‌توانند به‌عنوان کاتالیزور استفاده شوند.
به گزارش گروهی شامل کیگو کاماتا (Keigo Kamata) -دانشیار- و میچیکازو هارا (Michikazu Hara) -پروفسور- از فناوری توکیو، MnO۲ در صورت دارا بودن ساختار مناسب بلورهای تشکیل‌دهنده، می‌تواند به‌عنوان یک کاتالیزور مؤثر مورد استفاده قرار گیرد. آن‌ها به کشف ساختار بلوری MnO۲ دارای بهترین فعالیت کاتالیزوری برای ساخت FDCA و بررسی علت آن پرداختند و از طریق تجزیه و تحلیل کامپیوتری و نظریه موجود دریافتند که ساختار بلور‌ها به‌دلیل مراحل موجود در اکسیداسیون HMF حائز اهمیت است.
نخست، MnO۲ مقدار معینی از اتم‌های اکسیژن را به سوبسترا (HMF یا سایر محصولات جانبی) انتقال می‌دهد و MnO۲-δ می‌شود. سپس، به‌دلیل انجام واکنش تحت محیطی حاوی اکسیژن، MnO۲-δ به‌سرعت اکسید و دوباره MnO۲ می‌شود. انرژی موردنیاز برای این فرایند به انرژی موردنیاز جهت تشکیل فضاهای خالی اکسیژن وابسته و با ساختار بلوری بسیار متفاوت است. با محاسبات این گروه، مکان‌های فعال اکسیژن دارای انرژی تشکیل فضای خالی پایین‌تر و بهتری هستند.
برای تأیید این موضوع، آن‌ها انواع مختلفی از بلورهای MnO۲ را تولید و سپس عملکرد آن‌ها را از طریق تجزیه و تحلیل‌های متعدد مقایسه کردند. β-MnO۲ به‌دلیل مکان‌های ورقه‌ای فعال اکسیژن خود، امیدوارکننده‌ترین ساختار بلوری مورد بررسی بود. انرژی تشکیل فضاهای خالی کمتر این ساختار نسبت به دیگر ساختارها و پایداری بالای آن پس از استفاده در واکنش‌های اکسیداسیون HMF، اثبات شد.
در ادامه آن‌ها روش سنتزی جدیدی برای محصول بسیار خالص β-MnO۲ با مساحت سطحی وسیع را به‌منظور بهبود بازده FDCA پیشنهاد و فرایند اکسیداسیون را سرعت بخشیدند. به‌گفته کاماتا: “سنتز مساحت سطح بالای β-MnO۲ راهبردی امیدوارکننده جهت اکسیداسیون کارآمد HMF با کاتالیزورهای MnO۲ است.”
این گروه با رویکرد روش‌شناسی سعی در بهبود کاتالیزورهای MnO۲ دارد. به‌گفته هارا: “عامل‌دار کردن بیشتر β-MnO۲، مسیری جدید جهت توسعه کاتالیزورهای کارآمدتر برای اکسیداسیون ترکیبات مختلف مشتق شده از زیست‌توده خواهد گشود.”
☑ منبع خبر
☑ لینک مقاله
