Konversi molekul turunan biomassa menjadi bahan kimia bernilai merupakan tujuan utama dalam kimia berkelanjutan. Artikel ini mengulas mekanisme katalitik rinci di balik transformasi 5-(hidroksimetil)furfural (HMF) yang sangat selektif menjadi 5-metilfurfural (MF) menggunakan katalis atom tunggal (SACs) yang didukung pada oksida niobium (Nb2O5) dengan kekosongan oksigen. Pemahaman mekanisme ini sangat penting untuk pengembangan katalis generasi berikutnya.

Inti dari proses katalitik ini adalah interaksi presisi antara molekul HMF, atom logam tunggal yang didukung (misalnya, Pt, Pd, Au), dan penyangga Nb2O5 yang direkayasa. Penelitian telah menjelaskan mekanisme canggih yang melibatkan aktivasi sinergis berbagai bagian molekul HMF.

Langkah awal melibatkan adsorpsi HMF pada permukaan katalis. Perhitungan DFT dan studi spektroskopi mengungkapkan bahwa situs Nb, terutama yang terkait dengan kekosongan oksigen, menunjukkan afinitas kuat terhadap gugus hidroksil (-OH) HMF. Mode adsorpsi ini sangat penting karena memposisikan molekul dengan benar untuk reaksi selanjutnya.

Secara bersamaan, atom logam tunggal yang didukung, seperti platinum, memainkan peran penting dalam aktivasi hidrogen (H2). Berbeda dengan katalis logam curah di mana H2 dapat berdisosiasi melalui pemutusan homolitik pada pasangan logam-logam, SACs memfasilitasi jalur heterolitik, seringkali melibatkan penyangga. Dalam sistem ini, H2 diaktifkan, menghasilkan spesies hidrogen aktif.

Kunci untuk mencapai selektivitas tinggi untuk MF terletak pada langkah reaksi selanjutnya. Spesies hidrogen yang diaktifkan kemudian bereaksi dengan ikatan C-OH dari HMF yang teradsorpsi. Reaksi ini, yang difasilitasi oleh situs Nb, mengarah pada penghilangan gugus hidroksil secara reduktif, membentuk 5-metilfurfural (MF) yang diinginkan dan air. Proses ini secara termodinamika menguntungkan dan dikendalikan secara kinetik untuk mencegah reaksi MF lebih lanjut.

Yang terpenting, sistem katalis dirancang agar inert terhadap gugus karbonil (C=O) HMF. Meskipun ikatan C=O juga dapat direduksi, lingkungan elektronik dan koordinasi spesifik yang disediakan oleh penyangga Nb2O5 dan interaksi dengan atom logam tunggal secara efektif mengurangi hidrogenasinya. Ketidakaktifan selektif ini adalah alasan utama di balik selektivitas luar biasa >99% yang diamati untuk produksi MF.

Stabilitas katalis selama mekanisme ini juga patut diperhatikan. Bukti eksperimental menunjukkan bahwa atom tunggal tetap tertanam pada penyangga, dan struktur Nb2O5 tetap utuh, bahkan setelah waktu reaksi yang lama dan siklus berulang. Ketahanan ini memastikan kelayakan jangka panjang dari proses tersebut.

Sebagai produsen material terkemuka di Tiongkok, NINGBO INNO PHARMCHEM CO.,LTD. memanfaatkan pemahaman mekanistik yang mendalam ini untuk mengembangkan dan menawarkan solusi kimia canggih. Dengan memahami cara kerja katalis atom tunggal ini, kami dapat terus berinovasi di bidang sintesis kimia berkelanjutan, menyediakan produk yang memenuhi standar efisiensi dan tanggung jawab lingkungan tertinggi.