Лигнинът придава на растенията по-голямата част от тяхната структурна здравина и представлява най-големият възобновяем източник на ароматни химични вещества, срещащи се в природата. Той може да съставлява значителна част (до 35%) от отпадъците от биомаса в селското и горското стопанство. Въпреки това сложната молекулярна структура на лигнина го прави изключително труден за ефективно разграждане, което ограничаваше потенциалното му приложение в устойчивото производство.

В проучване, публикувано в списанието ACS Catalysis, международен екип от учени съобщава за разработката на високоефективен „едноатомен катализатор“. Изследователите също така определиха на молекулярно ниво как катализаторът разкъсва здравите химични връзки, които спомагат за задържането на лигнина в цялост. Катализаторът съдържа отделни атоми на рутений, вградени в азотно-легиран въглероден материал. Благодарение на изолирането на атомите на рутений такава конструкция осигурява висока каталитична активност, като същевременно изисква само много малки количества метал, което повишава ефективността в сравнение с традиционните системи.

Разкриване на механизма на разграждане на лигнина

Едно от постоянните препятствия в изследванията на лигнина беше точното определяне на това кои части от катализатора отговарят за разкъсването на неговите необичайно здрави химически връзки. Без тази информация изследователите разполагаха с малко ориентири за разработването на по-ефективни катализатори. Екипът откри, че специфичната атомна структура, известна като „участък Ru-N4“ е от особено значение. Тези участъци активират кислородните молекули и спомагат за разкъсването както на въглерод-кислородните, така и на въглерод-въглеродните връзки в лигнина.

Използвайки комбинация от лабораторни експерименти и компютърно моделиране, изследователите успяха да реконструират този процес по-подробно. Катализаторът първо активира кислорода, произвеждайки частици с висока реакционна способност. След това тези частици атакуват структурата на лигнина и я разграждат на по-малки молекули.

При тестване в оптимизирани условия катализаторът преобразуваше почти всички моделни съединения на лигнина и даваше високи добиви на ценни химически продукти, включително фенол. Процесът работи и при относително меки условия и не изисква агресивни химикали. Тази комбинация може да направи този подход полезен за разработването на по-устойчиви методи за химическо производство.

Изследователите отидоха по-далеч от опростените моделни съединения и тестваха катализатора върху истински лигнин, събран от няколко източника на биомаса. Той успешно превърна тези проби в полезни ароматни съединения, които потенциално могат да се превърнат в градивни елементи за горива, пластмаси и други материали.

Потенциален път към химикали на базата на биомаса

Получените резултати дават по-подробна представа за това как едноатомните катализатори работят при преобразуването на биомаса. Това разбиране може да послужи като насока за разработването на по-ефективни каталитични системи в бъдеще. Като улеснява преработката на лигнина и превръщането му в продукти с по-висока добавена стойност, изследването може да подкрепи по-широкия преход от традиционното линейно производство на химикали на петролна основа към по-циркулярна икономика, основана на биомаса.