Биополимер лигнин, по мнению учёных, может стать платформой для сверхэффективных катализаторов, способствующих устойчивому развитию химии. Фото: Манчестерский университет.
Лигнин, представляющий собой природный полимер, обеспечивает растениям значительную часть их структурной жёсткости, а также служит возобновляемым источником ароматических соединений. В отходах сельскохозяйственной и лесной переработки его доля способна достигать 35%, однако сложность молекулярного строения этого вещества долгое время препятствовала его эффективному вовлечению в устойчивые химические производства.
Из-за прочных связей, удерживающих макромолекулы лигнина, расщепить его на ценные продукты традиционными методами крайне затруднительно. Это ограничивает использование биомассы как альтернативы ископаемому сырью.
В журнале ACS Cataliz международная группа исследователей, включающая доктора Кристофера Парлетта, Синьюэ Чжоу и Ютао Цзяна из Департамента химической инженерии, представила высокоэффективный одноатомный катализатор, способный решить эту задачу. Учёные также детально описали, каким образом этот катализатор разрушает прочные химические связи в лигнине.
Разработанный материал содержит атомы рутения, внедрённые в азот-легированный углеродный носитель. Благодаря тому, что атомы металла остаются изолированными, достигается высокая каталитическая активность при минимальном количестве катализатора, что повышает общую эффективность процесса.
Новый катализатор атомного масштаба может превратить остатки растительных отходов в ценные химические вещества, которые сейчас обычно производятся из нефти.
Выясняем, как катализатор распределяет лигнин. Долгое время оставалось неясным, какие именно активные центры катализатора отвечают за разрыв особо прочных связей в лигнине. Без этого понимания разработка более эффективных катализаторов была бы затруднена.
Исследователи установили, что ключевую роль играет атомная структура, называемая сайтом Ru-N4. Такие сайты активируют молекулы кислорода и способствуют расщеплению как углерод-кислородных, так и углерод-углеродных связей внутри полимера.
Совместив лабораторные эксперименты с компьютерным моделированием, авторы реконструировали последовательность событий. Сначала катализатор активирует кислород, порождая высокореактивные промежуточные соединения, которые затем атакуют лигнин, расщепляя его на более мелкие фрагменты.
Высокая конверсия в более мягких условиях. В ходе испытаний при щадящих условиях катализатор конвертировал практически все модельные соединения лигнина, обеспечивая высокий выход экологически чистых продуктов, включая фенол. Процесс не требует агрессивных химических реагентов и может стать основой для устойчивых химических технологий.
Учёные пошли дальше, выйдя за рамки упрощённых моделей: они протестировали катализатор на реальном лигнине, выделенном из нескольких видов биомассы. В результате удалось получить полезные ароматические соединения, пригодные в качестве строительных блоков для топлива, пластмасс и других материалов.
Потенциальный путь к производству химикатов на основе биомассы. Полученные данные проливают свет на механизм работы одноатомных катализаторов в процессе конверсии биомассы. Это знание может стать основой для создания более эффективных каталитических систем в будущем.
«Понимание того, как именно работают эти катализаторы на атомном уровне, позволяет нам разрабатывать более эффективные материалы для преобразования возобновляемых ресурсов в ценные химические вещества», — отметил доктор Кристофер Парлетт, преподаватель химического машиностроения.
Облегчая переработку лигнина и превращая его в более ценные продукты, данное исследование может способствовать переходу от традиционного линейного нефтехимического производства к экономике замкнутого цикла, основанной на использовании биомассы.