В каждом растении - от деревьев до сельскохозяйственных культур - существует вещество, из которого состоит его древесина или стебли, волокна и клеточные стенки. Это вещество представляет собой сложный природный полимер, называемый лигнином, и является вторым по величине возобновляемым источником углерода на планете после целлюлозы.
Это природное изобилие вызвало большой интерес у исследовательского сообщества к химическому преобразованию лигнина в биотопливо. И если растительная жизнь действительно содержит строительные блоки для возобновляемых видов топлива, может показаться, что мы буквально окружены потенциальными источниками энергии везде, где растет зелень.
Но распутывание сложных цепей этих полимеров в компоненты, которые могут быть полезны для жидкого топлива и других применений, от фармацевтики до пластмасс, представляет собой постоянную проблему для науки и промышленности.
В настоящее время существует два распространенных способа переработки лигнина. Для одного требуется кислота плюс высокая температура, а для другого требуется пиролиз или обработка высокой температурой в отсутствие кислорода. Помимо энергозатратных методов обработки, результаты далеко не оптимальны.
«В итоге вы получаете отдельные молекулы, которые нестабильны и реакционноспособны, и они легко реполимеризуются. На самом деле это ужасный беспорядок», - объясняет Игорь Слоунинг, эксперт по гетерогенному катализу в Министерстве энергетики США. Лаборатория Эймса. «Мы должны иметь возможность разлагать лигнин экономически целесообразным способом на стабильные, легко используемые компоненты».
Slowing и другие ученые из лаборатории Эймса работают над достижением этой цели коммерциализации, экспериментируя с химическими реакциями, которые разлагают модели лигнина при низких температурах и давлениях. Уже известны способы извлечения полезных побочных продуктов из лигнина путем добавления процесса стабилизации. Но Слоуинг и его исследовательская группа продвинулись как в процессах разложения, так и в процессах стабилизации, объединив их в один многофункциональный катализатор с использованием оксида церия, модифицированного фосфатами..
«Наш процесс включает в себя разрушение лигниноподобного материала и стабилизацию за одну стадию в очень мягких условиях», - сказал Замедление. «Интересно то, что хотя в одном и том же материале происходят два различных типа химических процессов, они, по-видимому, работают синергетически и способны делать это при более низкой температуре».
В другом эксперименте исследовательская группа Слоуинга смогла переработать родственный материал, фенол, в полезный промышленный прекурсор для производства нейлона. В этой работе использовался катализатор из церия и палладия, легированный натрием, что значительно повысило реакционную способность процесса. Они также отказались от использования водорода, который получают при обработке природного газа паром, и вместо него использовали энергосберегающий процесс гидрирования на основе спирта..
Исследования продолжаются. «Оба этих результата были очень многообещающими, и наш следующий шаг - объединить два эксперимента в один и добиться разрушения лигнина с использованием водорода из возобновляемого источника», - сказал Слоунинг.
«Лаборатория Эймса идеально подходит для такого рода исследований», - сказал Слоунинг. «Мы можем сотрудничать с экспертами в нескольких областях, включая каталитическую химию, высокопроизводительные эксперименты, спектроскопию, технико-экономический анализ; и в партнерстве с нашим подрядчиком Университетом штата Айова мы также можем выбирать и выращивать лучшее сырье».