Органика
Одноатомный катализатор извлекает скрытую ценность растительных отходов
Учёные создали высокоэффективный катализатор, который расщепляет трудноразрушаемый лигнин из растительных отходов до полезных химикатов в относительно мягких условиях. Раскрыв атомный механизм работы катализатора, исследователи открыли возможность превращать лесные и сельскохозяйственные отходы в возобновляемые строительные блоки для топлива, пластиков и других материалов.
Лигнин придаёт растениям значительную часть их структурной прочности и является крупнейшим возобновляемым источником ароматических химикатов в природе. На него может приходиться существенная доля — до 35% — отходной биомассы сельского и лесного хозяйства. Однако сложное молекулярное строение делает лигнин крайне трудным для эффективного расщепления, что ограничивало его использование в устойчивом производстве.
В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, международная команда, в которую вошли доктор Кристофер Парлетт, Синьюэ Чжоу и Юйтао Цзян с кафедры химической инженерии Манчестерского университета, разработала высокоэффективный «одноатомный катализатор». Исследователи также установили на молекулярном уровне, как именно катализатор разрывает прочные химические связи, удерживающие структуру лигнина.
Катализатор состоит из отдельных атомов рутения, встроенных в азот-допированный углеродный материал. Изоляция атомов рутения позволяет достичь высокой каталитической активности при очень малых количествах металла, что повышает эффективность по сравнению с традиционными системами.
Одним из давних препятствий в исследованиях лигнина было определение того, какие именно участки катализатора отвечают за разрыв необычно прочных химических связей этого материала. Без такой информации возможности разработки более эффективных катализаторов оставались ограниченными.
Группа обнаружила, что особую роль играет определённая атомная конфигурация, известная как «центр Ru-N4» — одиночный атом рутения в окружении четырёх атомов азота. Такие центры активируют молекулы кислорода и способствуют разрыву связей углерод–кислород и углерод–углерод внутри лигнина.
Комбинируя лабораторные эксперименты и вычислительное моделирование, исследователи реконструировали процесс в деталях. Сначала катализатор активирует кислород, образуя высокореактивные частицы. Затем эти частицы атакуют структуру лигнина и расщепляют её на более мелкие молекулы.
При тестировании в оптимизированных условиях катализатор сконвертировал практически все модельные лигниновые соединения, дав высокие выходы ценных химических продуктов, включая фенол.
Процесс идёт в относительно мягких условиях и не требует агрессивных химикатов. Такое сочетание может сделать подход полезным для разработки более устойчивых методов химического производства.
Исследователи не ограничились упрощёнными модельными соединениями и испытали катализатор на реальном лигнине из нескольких источников биомассы. Эти образцы были успешно конвертированы в полезные ароматические соединения, которые потенциально могут стать строительными блоками для топлива, пластиков и других материалов.
Результаты дают более детальную картину того, как одноатомные катализаторы работают при конверсии биомассы, и это понимание может послужить руководством для разработки более эффективных каталитических систем в будущем.
«Понимание того, как именно эти катализаторы работают на атомном уровне, позволяет нам проектировать лучшие материалы для превращения возобновляемых ресурсов в ценные химикаты», — сказал доктор Кристофер Парлетт, лектор кафедры химической инженерии.
Упрощая переработку лигнина и его конверсию в продукты с более высокой добавленной стоимостью, исследование может способствовать переходу от традиционного линейного производства химикатов из нефти к более циркулярной экономике на основе биомассы.