Tento poznatok by mohol premeniť rastlinný odpad na zdroj paliva.
Lignín rastlinného pôvodu v novej podobe ako platforma pre mimoriadne účinné katalyzátory, ktoré by mohli prispieť k väčšej udržateľnosti chémie. Zdroj: The University of Manchester
Poľnohospodárstvo a lesníctvo každoročne produkujú veľké množstvá rastlinného materiálu obsahujúceho lignín, látku, ktorá pomáha stonkám, drevu a iným pletivám zachovať si tuhosť.
Lignín môže tvoriť až 35 percent rastlinného materiálu a predstavuje najväčší prírodný obnoviteľný zdroj aromatických chemikálií, teda zlúčenín na báze uhlíka postavených na stabilných kruhových štruktúrach. Aromatické zlúčeniny sú buď organické zlúčeniny s benzénovým kruhom, alebo vonné látky používané v parfumoch, pričom kľúčovými príkladmi sú benzén, toluén a estery.
Chemická stabilita je však zároveň problémom. Lignín pozostáva zo spletitej siete silných väzieb, ktoré odolávajú bežnému spracovaniu, čo sťažuje premenu hojného materiálu na užitočné produkty pre udržateľnú výrobu.
Medzinárodná výskumná skupina, ktorej členmi sú doktor Christopher Parlett, Xinyue Zhou a Yutao Jiang z Katedry chemického inžinierstva Manchesterskej univerzity, vyvinula katalyzátor určený na prekonanie tejto prekážky. Ich práca, o ktorej informoval časopis ACS Catalysis, nielenže preukázala účinnú konverziu lignínu, ale identifikovala aj molekulárny mechanizmus zodpovedný za rozbitie jeho najsilnejších väzieb.
Tento materiál je jednoatómový katalyzátor, čo znamená, že jeho aktívny kov je rozptýlený vo forme jednotlivých atómov a nie vo forme väčších častíc. V tomto prípade sú izolované atómy ruténia ukotvené v uhlíku obsahujúcom pridané atómy dusíka. Takéto oddelenie ruténia umožňuje, aby sa na reakciách podieľalo väčšie množstvo kovu, pričom sa minimalizuje potrebné množstvo.
Bolo náročnejšie určiť, ktoré presné usporiadanie atómov zabezpečuje chemickú reakciu. Bez znalosti aktívnej štruktúry mohli výskumníci katalyzátor zlepšovať len metódou pokusov a omylov.
Atómové miesta odhaľujú mechanizmus
Výskum identifikoval konfiguráciu nazývanú miesto Ru–N₄ ako kľúčové reakčné centrum. Na týchto miestach jeden atóm ruténia udržiavajú na mieste okolité atómy dusíka, čím vzniká miesto, kde sa môžu aktivovať molekuly kyslíka.
Táto aktivácia kyslíka je nevyhnutná, pretože bežný kyslík nie je dostatočne reaktívny na to, aby efektívne rozložil lignín. Len čo sa premení na reaktívnejšie formy, môže napádať väzby uhlík – kyslík a uhlík – uhlík, ktoré posilňujú molekulárnu sieť lignínu.
Výskumníci skombinovali laboratórne merania s počítačovým modelovaním, aby mohli tento priebeh sledovať krok za krokom. Experimenty ukázali, aké produkty vznikli, zatiaľ čo výpočty pomohli vysvetliť, ako sa atómy a väzby počas reakcie menili. Súhrn týchto dôkazov ukázal, že katalyzátor najskôr aktivuje kyslík a následne využíva vzniknuté reaktívne formy na rozštiepenie lignínu na menšie molekuly.
Mierne podmienky prinášajú užitočné chemikálie
Za optimalizovaných podmienok katalyzátor premenil takmer všetky modelové zlúčeniny lignínu použité v testoch. Vytvoril aj vysoké výťažky cenných produktov vrátane fenolu, aromatickej chemickej zlúčeniny používanej pri výrobe mnohých materiálov.
Reakcia prebiehala za relatívne miernych podmienok a nevyžadovala agresívne chemické úpravy. Zníženie potreby extrémneho spracovania by mohlo v budúcich výrobných systémoch znížiť spotrebu energie a množstvo odpadu.
Modelové zlúčeniny poskytujú kontrolovaný spôsob štúdia reakčnej chémie, skutočný lignín je však oveľa zložitejší. Aby zistili, či katalyzátor dokáže zvládnuť túto zložitosť, vedci testovali lignín získaný z viacerých zdrojov biomasy. Katalyzátor úspešne premenil tieto skutočné vzorky na užitočné aromatické zlúčeniny. Takéto molekuly by mohli v budúcnosti slúžiť ako východiskové látky pre palivá, plasty a ďalšie výrobky, ktoré sa v súčasnosti bežne vyrábajú z ropy.
Tieto zistenia, ktoré identifikujú aktívnu atómovú štruktúru a vysvetľujú jednotlivé fázy reakcie, ponúkajú viac než len jeden recept na katalyzátor. Poskytujú návod na navrhovanie budúcich materiálov, ktoré využívajú izolované atómy kovov na efektívnejšie spracovanie náročných foriem biomasy.
„Presné pochopenie toho, ako tieto katalyzátory fungujú na atómovej úrovni, nám umožňuje navrhovať lepšie materiály na premenu obnoviteľných zdrojov na cenné chemikálie,“ uviedol doktor Christopher Parlett, docent chemického inžinierstva.
Nájdenie praktického využitia lignínu by mohlo premeniť odolnú zložku rastlinného odpadu na obnoviteľný chemický zdroj. Takáto zmena by podporila odklon od lineárnej výroby založenej na rope, pri ktorej sa zdroje ťažia, využívajú a vyhadzujú, smerom k cirkulárnej ekonomike postavenej na zhodnocovaní a opätovnom využívaní biomasy.
Zdroje: Enviroportál, SciTech Daily
(RR)
