Från den outtömliga råvaran lignin, som som en beståndsdel i många växter ackumuleras i stora mängder, bränslen och andra viktiga ämnen skulle i teorin kunna utvinnas för industrin – än så länge, fastän, det kan inte göras tillräckligt effektivt. Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och ETH Zürich har nu hittat en metod för att identifiera hittills osynliga mellanprodukter från de katalytiska reaktioner som används för denna omvandling. Detta skulle kunna möjliggöra mer riktade förbättringar av produktionsmetoderna i framtiden. Studien publiceras i det senaste numret av tidskriften Naturkommunikation .

Hur praktiskt och miljövänligt det vore om bränsle helt enkelt kunde tillverkas av växtavfall. Eller fenoler, som behövs inom plastindustrin. Tänk om vi helt enkelt kunde få grundläggande råvaror i vår civilisation från något naturen producerar i överflöd år efter år, som vi annars låter ruttna?

Lignin förekommer till exempel i alla vedartade växter och är, med cirka 20 miljarder ton producerade varje år, det vanligaste organiska ämnet på jorden förutom cellulosa och kitin. Den består huvudsakligen av kol, väte, och syre i en stor och mycket komplex molekyl, som är sammansatt av mindre föreningar som de som behövs för produktion av bränsle och fenoler.

Ett stort steg mot att förstå mekanismen

Teoretiskt sett, dessa föreningar kan erhållas från lignin genom krackning. Kemiskt, dock, detta är extremt komplicerat och kostsamt. Summan av kardemumman:Hittills det lönar sig bara inte. Men detta kan förändras, tack vare mer sofistikerade metoder. Och forskare i Schweiz, vid Paul Scherrer Institute PSI i Villigen och vid ETH Zürich, har tagit ett stort steg mot att förstå mekanismen bakom reaktioner som kan leda till de önskade kemikalierna. I denna metod, den stora ligninmolekylen – som modell, forskarna använde ligninbyggstenen guaiakol (en del av den större molekylen) – delas upp i ännu mindre molekyler vid cirka 400 grader i en syrefri miljö. Att göra detta, en katalysator används – ett material som påskyndar reaktionen utan att förbrukas. I detta fall, forskarna använder en zeolit, ett material med många porer och därmed en stor yta där reaktionen kan ske.

Först, så kallade intermediärer uppstår under bara bråkdelar av en sekund – gasformiga reaktiva ämnen som omedelbart reagerar med vatten och syre för att bilda fenoler och andra stabila slutprodukter. Dessa mellanprodukter kan inte observeras med konventionella metoder, säger Patrick Hemberger, strållinjeforskare vid PSI:s schweiziska ljuskälla SLS. För det första, du kan knappt skilja dem åt, eftersom deras molekyler ofta består av samma atomer, bara ordnat annorlunda. Men om vi kunde bestämma dessa mellanprodukter och deras koncentrationer, då skulle det också vara möjligt att ändra processen på ett sådant sätt att särskilda intermediärer företrädesvis genereras och, i slutet, utbytet av den önskade produkten ökas.

Synkrotronljus gör det osynliga synligt

Eftersom molekylerna väger lika, de kan inte särskiljas med en masspektrometer, som sorterar ämnen efter deras vikt. Med hjälp av så kallad vakuum ultraviolett synkrotronstrålning och en kombination av masspektrometri och fotoelektronspektroskopi, som är tillgänglig för oss på SLS, vi kunde göra det, Det rapporterar Hemberger. Detta betyder:De speciella ljusstrålarna som SLS genererar slår ut elektroner ur molekylerna, och dessa observeras sedan med speciella metoder. De observerade egenskaperna hos dessa elektroner är som ett fingeravtryck, och de är unika för varje ämne.

Tills nu, sådana katalytiska processer har körts på vad kemisten kallar en cook and look-metod:en försök och felsökning – med variationer till exempel i temperatur, katalysator, och koncentration av molekylerna – för att hitta vilken experimentuppställning som ger mest av den önskade produkten. Med det tillvägagångssätt som utvecklats av Patrick Hemberger, vi kan nu för första gången reda ut de komplexa reaktionsmekanismerna, säger medförfattaren Jeroen van Bokhoven, chef för Laboratory for Catalysis and Sustainable Chemistry vid PSI och professor i heterogen katalys vid ETH Zürich. Och därmed kan vi nu utveckla nya, bättre, och mer miljövänliga produktionsprocesser på ett mer riktat sätt, tillägger Victoria Custodis, den andre medförfattaren. Dessutom, de förväntar sig också att tillvägagångssättet kan överföras till många andra katalytiska processer.