Международная группа химиков разработала катализатор, который эффективно расщепляет лигнин – сложный полимер, придающий прочность растениям. Это открывает путь к получению ценных химических соединений из отходов сельского хозяйства и лесной промышленности, где доля лигнина может достигать 35%.
В основе нового катализатора – единичные атомы рутения, которые распределены в матрице из азотсодержащего углерода. Такая структура, где атомы металла изолированы друг от друга, позволяет достичь высокой каталитической активности при минимальном расходе дорогостоящего рутения.
Исследователям также удалось в деталях описать механизм реакции на молекулярном уровне. Ключевую роль играют так называемые центры Ru-N4 – участки, где атом рутения связан с четырьмя атомами азота. Именно они активируют молекулярный кислород, который затем атакует и разрывает прочные углерод-углеродные и углерод-кислородные связи в структуре лигнина.
В ходе лабораторных испытаний катализатор показал почти стопроцентную конверсию модельных соединений лигнина, позволив получить высокий выход ценных продуктов, в частности фенола. Важно, что реакция протекает в относительно мягких условиях и не требует применения агрессивных реагентов. Эффективность системы подтвердилась и в экспериментах с реальным лигнином, полученным из различных видов биомассы.
Как отмечают авторы статьи в журнале ACS Catalysis, понимание атомных механизмов катализа открывает возможности для целенаправленного конструирования еще более совершенных систем. В перспективе новая технология может стать основой для перевода химической промышленности с ископаемого сырья на возобновляемые ресурсы биомассы, формируя экономику замкнутого цикла.
