Ученые разработали высокоэффективный катализатор, который помогает разбирать лигнин на более простые и полезные соединения. Лигнин придает растениям прочность и считается крупнейшим возобновляемым источником ароматических химикатов в природе. При этом его сложная структура долго мешала использовать это сырье в устойчивом производстве.
В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, международная команда создала «одноатомный катализатор» на основе отдельных атомов рутения, закрепленных в углеродном материале с азотом. Такой подход позволяет расходовать очень небольшое количество металла, но при этом сохранять высокую каталитическую активность. Как выяснили авторы работы, именно эта схема делает процесс более эффективным по сравнению с обычными системами, сообщает первоисточник.
В ходе анализа ученые установили, что особенно важна структура под названием Ru-N4-site. Она активирует молекулы кислорода и запускает разрыв прочных связей углерод-кислород и углерод-углерод внутри лигнина. Сочетание экспериментов и компьютерного моделирования помогло восстановить механизм процесса более подробно.
Сначала катализатор активирует кислород и образует очень реакционноспособные частицы. Затем они атакуют структуру лигнина и разделяют ее на более мелкие молекулы. В оптимальных условиях катализатор почти полностью перерабатывал модельные соединения лигнина и давал высокий выход ценных продуктов, включая фенол.
Процесс при этом идет в сравнительно мягких условиях и не требует жестких химикатов. Исследователи также проверили катализатор на реальном лигнине, полученном из нескольких видов биомассы. Он успешно превратил эти образцы в полезные ароматические соединения, которые могут стать основой для топлива, пластмасс и других материалов.
Авторы работы считают, что их результаты дают более точное понимание того, как одноатомные катализаторы работают при переработке биомассы. По словам доктора Кристофера Парлетта, это знание поможет создавать более совершенные материалы для получения ценных химикатов из возобновляемого сырья. В перспективе такой подход может усилить переход от традиционного нефтехимического производства к более замкнутой экономике на основе биомассы.