Vědci vzali cukr, posvítili na něj a vyrobili základ plastu budoucnosti

Na první pohled působí rostlinná biomasa jako něco samozřejmého a obyčejného. Zbytky dřeva, sláma, kukuřičné klasy nebo odpad z potravinářství jsou materiály, které po staletí končily na poli, v kamnech nebo na skládce. V posledních letech se však právě tato hmota stává středem pozornosti chemiků, kteří v ní nevidí odpad, ale surovinu schopnou nahradit ropu. Výzkum, na němž se podíleli vědci z Univerzity Palackého a jejich zahraniční kolegové a který byl publikován v prestižním vědeckém časopise Nature Catalysis, ukazuje, že klíčem k této proměně může být světlo, chytrý katalyzátor a pečlivě řízená oxidace.

Základní myšlenka je přitom překvapivě jednoduchá. Rostliny ukládají energii slunce do cukrů, tedy organických molekul bohatých na uhlík. Pokud se tyto cukry vhodným způsobem rozloží a chemicky upraví, mohou se stát výchozí surovinou pro výrobu bioplastů. Jednou z nejdůležitějších molekul na této cestě je 5-hydroxymethylfurfural, zkráceně HMF, což je látka vznikající z jednoduchých cukrů obsažených v biomase. HMF bývá označován jako platformová molekula, tedy chemický meziprodukt, z něhož lze připravit celou řadu dalších látek. Pokud se HMF dále oxiduje, vzniká 2,5-furandikarboxylová kyselina, zkráceně FDCA, která je považována za klíčovou surovinu pro výrobu moderních bioplastů.

Právě FDCA je základem polymeru označovaného jako PEF, tedy polyethylenfuranoát. Jde o materiál, který je funkčně podobný běžnému PET plastu používanému například na nápojové lahve, ale na rozdíl od něj může být vyroben z obnovitelných zdrojů. PEF má navíc v některých vlastnostech dokonce navrch. Lépe zadržuje plyny, je mechanicky pevný a potenciálně umožňuje vyrábět obaly s menším množstvím materiálu. Problém dosud spočíval v tom, že přeměna HMF na FDCA vyžadovala náročné podmínky, vysoké teploty, silně zásadité prostředí nebo agresivní oxidační činidla, což celý proces činilo energeticky i ekologicky problematickým.

Nový výzkum ukazuje jinou cestu. Vědci vyvinuli takzvaný plazmonický fotokatalyzátor, tedy materiál, který dokáže využívat energii světla k řízení chemických reakcí. Základem tohoto katalyzátoru je nitrid titanu, což je materiál schopný velmi účinně absorbovat světlo a přeměňovat ho na energii elektronů. Na jeho povrchu jsou navázány extrémně malé nanočástice slitiny ruthenia a platiny, tedy kovů, které jsou známé svou vysokou katalytickou aktivitou. Výsledkem je systém, který funguje jako anténa a reaktor v jednom. Světlo dopadá na nitrid titanu a „rozpohybuje“ jeho elektrony, tedy částice nesoucí elektrický náboj, které se pak dokážou aktivně zapojit do reakce s kyslíkem na povrchu kovových nanočástic.

Aktivovaný kyslík pak dokáže velmi selektivně oxidovat HMF na FDCA. Selektivita zde znamená, že reakce probíhá převážně jedním žádoucím směrem a nevzniká směs nežádoucích vedlejších produktů, což je v chemickém průmyslu klíčový parametr. Autoři studie uvádějí, že dosáhli téměř stoprocentní přeměny výchozí látky a zároveň velmi vysoké selektivity k cílovému produktu. To vše za podmínek blízkých okolnímu prostředí, tedy bez vysokého tlaku, bez extrémních teplot a bez potřeby silných chemických přísad.

Zásadní roli zde hraje také samotné světlo. Nejde jen o zdroj energie, ale o nástroj, kterým lze reakci jemně řídit. Tento jev, známý jako plazmonický efekt (kolektivní pohyb elektronů vyvolaný dopadem světla), způsobuje, že kyslík na povrchu katalyzátoru se stává mnohem reaktivnějším právě tam, kde je chemická reakce žádoucí. Díky tomu je možné dosáhnout vysoké účinnosti bez toho, aby se celý systém musel zahřívat nebo chemicky „tlačit“ do reakce.

Z pohledu průmyslové chemie nejde zatím o hotovou technologii připravenou k okamžitému nasazení. Jde spíše o důkaz, že takový přístup funguje a že cesta od rostlinného odpadu k surovinám pro výrobu plastů může vést přes fotokatalýzu a chytré materiály. Podobně jako u jiných přelomových objevů je zde klíčový samotný princip. Jakmile je jednou prokázáno, že reakce může probíhat za mírných podmínek a s vysokou selektivitou, otevírá se prostor pro další optimalizaci, škálování a hledání levnějších variant katalyzátorů.

Význam tohoto výzkumu přesahuje samotnou výrobu bioplastů. Ukazuje, že světlo může hrát mnohem aktivnější roli v chemickém průmyslu, než jakou mu tradičně přisuzujeme. Místo pasivního ohřevu nebo nepřímého dodávání energie se světlo stává přímým aktérem chemické přeměny. V kombinaci s obnovitelnými surovinami, jako je biomasa, tak vzniká koncept chemie, která je nejen účinná, ale i dlouhodobě udržitelná.

Pokud by se podobné technologie podařilo v budoucnu převést do průmyslového měřítka, mohly by biorefinérie fungovat jako chemické továrny nové generace. Místo ropy by zpracovávaly zemědělské zbytky a místo vysokých pecí by využívaly světlo a chytré katalyzátory. Výzkum publikovaný v Nature Catalysis tak nepřináší jen nový katalyzátor, ale i konkrétní představu o tom, jak by mohla vypadat chemie, která respektuje limity planety a přitom neztrácí svou technologickou ambici.