Новый катализатор на атомном уровне способен преобразовывать устойчивые растительные отходы в ценные химические вещества, которые в настоящее время обычно производятся из нефти.
Лигнин придаёт растениям значительную часть их структурной прочности и является крупнейшим возобновляемым источником ароматических химикатов в природе. Он может составлять до 35% отходов биомассы из сельского и лесного хозяйства. Однако сложная молекулярная структура лигнина делает его трудным для эффективного расщепления, что ограничивает его потенциальное использование в устойчивом производстве.
Разработка одноатомного катализатора
В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, международная команда, включая доктора Кристофера Парлетта, Синьюэ Чжоу и Ютао Цзяна из кафедры химической инженерии, разработала высокоэффективный «одноатомный катализатор». Исследователи также определили на молекулярном уровне, как катализатор разрывает прочные химические связи, удерживающие лигнин вместе.
Катализатор содержит отдельные атомы рутения, встроенные в углеродный материал, легированный азотом. Благодаря изоляции атомов рутения такая конструкция обеспечивает высокую каталитическую активность, при этом требуются лишь очень малые количества металла, что значительно повышает эффективность по сравнению с традиционными системами.
Механизм разложения лигнина катализатором
Одним из основных препятствий в исследованиях лигнина было определение, какие именно части катализатора отвечают за разрыв прочных химических связей материала. Без этой информации у исследователей было мало ориентиров для разработки более эффективных катализаторов.
Команда обнаружила, что особая атомная конфигурация, известная как «узел Ru-N4», играет ключевую роль. Эти узлы активируют молекулы кислорода и помогают инициировать разрыв как углерод-кислородных, так и углерод-углеродных связей в лигнине.
Используя сочетание лабораторных экспериментов и вычислительного моделирования, исследователи смогли воссоздать процесс с большей детализацией. Сначала катализатор активирует кислород, образуя высокоэффективные промежуточные соединения, что способствует дальнейшему расщеплению лигнина.
