Effect of MnO 2 Crystal Structure on Aerobic Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid

化学 催化作用 氧化还原 密度泛函理论 氧气 催化氧化 空位缺陷 金属 无机化学 结晶学 计算化学 有机化学
作者
Eri Hayashi,Yui Yamaguchi,Keigo Kamata,Naoki Tsunoda,Yu Kumagai,Fumiyasu Oba,Masahiko Hara
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (2): 890-900 被引量:498
标识
DOI:10.1021/jacs.8b09917
摘要

Aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) as a bioplastics monomer is efficiently promoted by a simple system based on a nonprecious-metal catalyst of MnO 2 and NaHCO 3 . Kinetic studies indicate that the oxidation of 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA) to FDCA is the slowest step for the aerobic oxidation of HMF to FDCA over activated MnO 2 . We demonstrate through combined computational and experimental studies that HMF oxidation to FDCA is largely dependent on the MnO 2 crystal structure. Density functional theory (DFT) calculations reveal that vacancy formation energies at the planar oxygen sites in α- and γ-MnO 2 are higher than those at the bent oxygen sites. β- and λ-MnO 2 consist of only planar and bent oxygen sites, respectively, with lower vacancy formation energies. Consequently, β- and λ-MnO 2 are likely to be good candidates as oxidation catalysts. On the other hand, experimental studies reveal that the reaction rates per surface area for the slowest step (FFCA oxidation to FDCA) decrease in the order of β-MnO 2 > λ-MnO 2 > γ-MnO 2 ≈ α-MnO 2 > δ-MnO 2 > ε-MnO 2; the catalytic activity of β-MnO 2 exceeds that of the previously reported activated MnO 2 by three times. The order is in good agreement not only with the DFT calculation results, but also with the reduction rates per surface area determined by the H 2 -temperature-programmed reduction measurements for MnO 2 catalysts. The successful synthesis of high-surface-area β-MnO 2 significantly improves the catalytic activity for the aerobic oxidation of HMF to FDCA.
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