Nová generace slunečního katalyzátoru přeměnuje biomasu na suroviny pro výrobu bioplastů

Mezinárodní tým vědců, jehož součástí jsou i odborníci z výzkumného institutu CATRIN Univerzity Palackého, vyvinul nový typ plazmonického fotokatalyzátoru, jenž dokáže s využitím sluneční energie velmi účinně a selektivně přeměňovat biomasu na klíčové suroviny pro výrobu bioplastů. Výsledky výzkumu, které představují významný krok směrem k udržitelnější chemické výrobě, zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Catalysis.

CATRIN: Nová generace slunečního katalyzátoru přeměnuje biomasu na suroviny pro výrobu bioplastů

Biomasa, tedy organický materiál rostlinného či živočišného původu, patří mezi nejperspektivnější obnovitelné zdroje pro výrobu chemikálií a materiálů s vysokou přidanou hodnotou. Výzkum se zaměřil na molekulu 5-hydroxymethylfurfuralu, která vzniká z cukrů obsažených v rostlinné biomase a je považována za jeden z klíčových meziproduktů moderních biorafinerií. Její řízenou oxidací lze získat 2,5-furandikarboxylovou kyselinu, sloučeninu využitelnou jako základní stavební jednotku biopolymerů, například plastu PEF, který je ekologickou alternativou běžně používaného PET.

Dosavadní průmyslové postupy výroby této látky jsou však technologicky náročné. Často vyžadují silně zásadité prostředí, zvýšené teploty nebo tlak. Přesto trpí nízkou selektivitou, což vede ke vzniku nežádoucích vedlejších produktů a vyšší energetické náročnosti. Současný výzkum se proto snaží nalézt nové přístupy, které by umožnily tuto chemickou přeměnu řídit pomocí světelné energie za mírnějších a ekologicky šetrnějších podmínek.

Nově vyvinutý katalyzátor je založen na kombinaci nanostrukturovaného nitridu titanu a extrémně malých nanočástic slitiny ruthenia a platiny. Nitrid titanu slouží jako materiál, který velmi účinně pohlcuje světlo, zejména jeho infračervenou složku, a přeměňuje jej na energeticky bohaté elektrony a lokální teplo. Tyto efekty následně podporují aktivaci molekulárního kyslíku na povrchu katalyticky aktivních nanočástic, kde probíhá vlastní chemická reakce.

„Klíčové je, že jednotlivé složky katalyzátoru spolupracují v dokonalé součinnosti. Díky tomu dokážeme velmi přesně řídit oxidaci 5-hydroxymethylfurfuralu a dosáhnout téměř úplné přeměny na cílový produkt bez použití silných chemických přísad nebo extrémních reakčních podmínek. Ve srovnání s dosavadními technologiemi je proces výrazně selektivnější, energeticky úspornější a produkuje podstatně méně odpadu,“ uvedl jeden z korespondenčních autorů studie Štěpán Kment z Univerzity Palackého.

Autoři studie zdůrazňují, že tento přístup umožňuje aktivovat kyslík zcela odlišným způsobem než u běžných katalytických systémů. Díky tomu lze reakci vést ve vodném prostředí bez přídavku zásad a zároveň se vyhnout neselektivním reakcím, které by vedly ke ztrátám materiálu. Výsledkem je vysoce účinný a přesně řízený proces vhodný pro budoucí aplikace.

Podle vědců představuje tato plazmonická katalytická platforma dosud nevyužitý koncept v oblasti přeměny biomasy. „Otevírá nové možnosti pro budoucí biorafinerie, které by mohly ze sluneční energie a obnovitelných surovin vyrábět plasty, rozpouštědla a další chemické produkty s výrazně nižší uhlíkovou stopou než současné průmyslové technologie,“ uzavřel Kment.

Na výzkumu se podíleli vědci z CATRIN Univerzity Palackého a Centra energetických a environmentálních technologií i národního superpočítačového centra IT4Innovations na VŠB-TUO ve spolupráci s partnery z Číny, Itálie a Spojených států amerických.

Původní článek

Near-infrared plasmonic activation of molecular oxygen for selective oxidation of biomass derivatives

Manpreet Kaur, Sourav Rej, Jan Navrátil, Eva Yazmin Santiago, Michal Otyepka, Stefano Livraghi, Lorenzo Mino, Štěpán Kment, Zhikang Xu, Haibo Zhu, Paolo Fornasiero, Alexander O. Govorov, Piotr Błoński & Alberto Naldoni

Nat Catal 8, 1370–1381 (2025)

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01454-y

licensed under CC-BY 4.0

Abstrakt

Zhodnocování biomasy na chemické látky s vyšší přidanou hodnotou je klíčové pro zvýšení udržitelnosti chemického průmyslu a snížení jeho závislosti na fosilních surovinách. Heterogenní fotokatalyzátory představují perspektivní nástroj pro oxidaci 5-hydroxymethylfurfuralu (HMF) na kyselinu 2,5-furandikarboxylovou (FDCA), biomasy odvozenou molekulární platformu pro výrobu biopolymerů, avšak bez použití zásaditého prostředí vykazují zanedbatelnou selektivitu k FDCA. V této práci představujeme plazmonický fotokatalyzátor kombinující nanokostky TiN a bimetalické nanočástice RuPt, které za nebazických podmínek dosahují úplné konverze HMF a selektivní tvorby FDCA díky neobvyklému mechanismu aktivace molekulárního kyslíku. Tato jedinečná reaktivita je zesílena jak fototermálním ohřevem, tak působením horkých elektronů, jejichž přínos byl potvrzen experimenty s kinetickým izotopovým efektem. Výpočty založené na teorii funkcionálu hustoty podporují scénář, v němž aktivovaný komplex nanočástice s kyslíkem usnadňuje rychlost určující krok reakce a umožňuje zvýšenou selektivitu tvorby FDCA. Získané výsledky demonstrují potenciál plazmonických fotokatalyzátorů pro katalytickou přeměnu biomasy.