北京
全球每年都有巨量的農林廢棄物被遺留下來，這些廢料中含有木質素——一種讓莖干和木材保持堅硬的物質。木質素在這些被丟棄的生物質中比例最高可達35%，它也是自然界最大的可再生芳香族化學品供應源。芳香族化學品是指那些基于穩定環狀結構構建的碳基化合物。
但這種化學穩定性恰恰成了麻煩。木質素內部雜亂的強鍵網絡排斥常規的加工手段，這讓把這種豐富的原料轉變成可持續制造所需的實用產品變得極其困難。
為了攻破這道壁壘，一個包括曼徹斯特大學化學工程系Christopher Parlett博士、周欣悅和蔣玉濤在內的國際研究團隊，開發出了一種專門應對這一挑戰的催化劑。他們的成果發表在《ACS Catalysis》期刊上。這項工作不僅展示了高效的木質素轉化能力，還厘清了負責撕裂其最強化學鍵的分子機制。
這是一種“單原子催化劑”。也就是說，它的活性金屬以單個原子的形式散開，而不是聚集成較大的顆粒。在這項研究中，孤立的釕原子被錨定在含有額外氮原子的碳材料中。用這種方式把釕原子隔離開，能讓更多的金屬參與到化學反應中來，同時把所需要的金屬用量降到最低。
更難的地方在于，找出究竟是哪一種精確的原子排列在發揮化學作用。搞不清楚活性結構，研究人員想要改進催化劑就只能靠反復試錯。
這項研究確認了一種名為“Ru–N?位點”的構型是關鍵的化學反應中心。在這些位置上，一個釕原子被周圍的氮原子固定在原位，創造出一個可以激活氧分子的場所。這種氧活化過程至關重要，因為普通的氧氣活性不夠強，不足以有效拆解木質素。一旦被轉化成更具活性的形態，它們就能去攻擊那些加固木質素分子網絡的碳-氧鍵和碳-碳鍵。
研究人員將實驗室測量與計算模型相結合，一步一步追蹤了這個反應序列。實驗數據展示了生成了哪些產物，而計算結果則幫助解釋了在此過程中原子和化學鍵是如何變化的。綜合證據表明，催化劑首先激活了氧氣，隨后利用生成的活性物質將木質素切成了更小的分子。
在優化后的條件下，這種催化劑幾乎將測試中使用的所有模型木質素化合物都轉化掉了。反應還產生了高價值的產物，例如苯酚——一種用于制造多種材料的芳香族化學品。整個反應過程在相對溫和的條件下進行，不需要苛刻的化學處理手段。降低對極端工藝的需求，有望顯著削減能源消耗和生產成本。
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
