La industria química busca constantemente métodos más sostenibles y eficientes para la producción de compuestos valiosos. Un avance significativo en esta área es el desarrollo de catalizadores de átomo único (SACs, por sus siglas en inglés) para la conversión de moléculas derivadas de biomasa. Este artículo profundiza en cómo los SACs, particularmente aquellos que involucran soportes de óxido de niobio como el Pt1/Nb2O5-Ov, están logrando una selectividad sin precedentes en la transformación de 5-(hidroximetil)furfural (HMF) a 5-metilfurfural (MF).

El HMF es una plataforma química clave derivada de la biomasa lignocelulósica, representando una piedra angular de la biorrefinación. Su conversión a otros químicos valiosos es un enfoque importante para la química sostenible. Tradicionalmente, lograr alta selectividad en tales transformaciones, especialmente en la hidrogenación de HMF, ha sido un desafío. La reactividad inherente de los grupos funcionales del HMF significa que las reacciones secundarias o la sobre-hidrogenación pueden conducir a una mezcla de productos, reduciendo el rendimiento del compuesto deseado.

El avance presentado aquí involucra el diseño estratégico de catalizadores de átomo único. Estos catalizadores presentan átomos de metal individuales dispersos en un material de soporte, ofreciendo propiedades catalíticas únicas. En esta investigación, se utilizó óxido de niobio (Nb2O5) con vacantes de oxígeno específicas como soporte para átomos de platino (Pt), paladio (Pd) y oro (Au). La sinergia entre los átomos de metal únicos y el soporte de Nb2O5 defectuoso demostró ser crítica. A través de una combinación de estudios experimentales y cálculos avanzados de teoría funcional de la densidad (DFT), los investigadores dilucidaron el mecanismo detrás del rendimiento excepcional.

Los hallazgos indican que los átomos de Pt son principalmente responsables de la activación del hidrógeno (H2), un paso crucial en las reacciones de hidrogenación. Simultáneamente, los sitios de niobio, particularmente aquellos adyacentes a los átomos de metal únicos e influenciados por las vacantes de oxígeno, activan selectivamente el enlace C-OH en el HMF. Este mecanismo de doble activación evita la hidrogenación del enlace C=O, que es una vía común que conduce a subproductos indeseados. En consecuencia, la conversión de HMF a MF se produce con una notable selectividad superior al 99%, incluso cuando la reacción alcanza la conversión completa del material de partida.

Además, la estabilidad y reutilización de estos SACs son ventajas notables. Los catalizadores demostraron un rendimiento sostenido durante múltiples ciclos de reacción sin pérdida significativa de actividad o selectividad, lo cual es una consideración vital para aplicaciones industriales. Esta naturaleza robusta minimiza los residuos y reduce el costo general de producción.

Las implicaciones de esta investigación son de gran alcance. La capacidad de producir de manera eficiente y selectiva 5-metilfurfural a partir de una fuente de biomasa renovable abre puertas para su uso más amplio como bloque de construcción en la síntesis de productos farmacéuticos, agroquímicos y químicos finos. Adicionalmente, el MF y sus derivados se están explorando para aplicaciones en biocombustibles avanzados y aditivos de combustible, contribuyendo a un panorama energético más sostenible. Como fabricante principal y proveedor especializado en China, NINGBO INNO PHARMCHEM CO.,LTD. está a la vanguardia del desarrollo y suministro de soluciones catalíticas innovadoras para la industria química.