Van de onuitputtelijke grondstof lignine, dat zich als bestanddeel van veel planten in grote hoeveelheden ophoopt, brandstoffen en andere belangrijke stoffen zouden in theorie kunnen worden gewonnen voor de industrie – tot nu toe Hoewel, het kan niet efficiënt genoeg. Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en ETH Zürich hebben nu een methode gevonden om tot nu toe onzichtbare tussenproducten van de voor deze omzetting gebruikte katalytische reacties te identificeren. Dit zou in de toekomst een meer gerichte verbetering van productiemethoden mogelijk kunnen maken. De studie verschijnt in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Hoe praktisch en milieuvriendelijk zou het zijn als brandstof gewoon gemaakt zou kunnen worden uit plantaardig afval. Of fenolen, die dringend nodig zijn in de kunststofindustrie. Wat als we eenvoudigweg de fundamentele grondstoffen van onze beschaving zouden kunnen halen uit iets wat de natuur jaar na jaar in overvloed produceert, die we anders laten rotten?

Lignine komt bijvoorbeeld voor in alle houtige planten en is, met ongeveer 20 miljard ton geproduceerd per jaar, de meest voorkomende organische stof op aarde naast cellulose en chitine. Het bestaat voornamelijk uit koolstof, waterstof, en zuurstof in een groot en zeer complex molecuul, die is samengesteld uit kleinere verbindingen zoals die nodig zijn voor de productie van brandstof en fenolen.

Een grote stap op weg naar het begrijpen van het mechanisme

theoretisch, deze verbindingen kunnen door kraken worden gewonnen uit lignine. chemisch, echter, dit is buitengewoon ingewikkeld en kostbaar. De bottom line:tot nu toe, het loont gewoon niet. Toch kan dit veranderen, dankzij meer geavanceerde methoden. En onderzoekers in Zwitserland, aan het Paul Scherrer Institute PSI in Villigen en aan de ETH Zürich, hebben een grote stap gezet in het begrijpen van het mechanisme achter reacties die tot de gewenste chemicaliën kunnen leiden. Bij deze methode, het grote ligninemolecuul – als model, de onderzoekers gebruikten de ligninebouwsteen guaiacol (een deel van het grotere molecuul) - dat in een zuurstofvrije omgeving bij ongeveer 400 graden wordt gesplitst in nog kleinere moleculen. Om dit te doen, er wordt een katalysator gebruikt - een materiaal dat de reactie versnelt zonder te worden verbruikt. In dit geval, de onderzoekers gebruiken een zeoliet, een materiaal met veel poriën en dus een groot oppervlak waar de reactie kan plaatsvinden.

Eerst, zogenaamde tussenproducten ontstaan ​​voor slechts fracties van een seconde - gasvormige reactieve soorten die onmiddellijk reageren met water en zuurstof om fenolen en andere stabiele eindproducten te vormen. Deze tussenproducten kunnen niet worden waargenomen met conventionele methoden, zegt Patrick Hemberger, beamline-wetenschapper bij PSI's Swiss Light Source SLS. Allereerst, je kunt ze nauwelijks van elkaar onderscheiden, omdat hun moleculen vaak uit dezelfde atomen bestaan, alleen anders geregeld. Maar als we deze tussenproducten en hun concentraties zouden kunnen bepalen, dan zou het ook mogelijk zijn om het proces zo te veranderen dat bepaalde tussenproducten bij voorkeur worden gegenereerd en, uiteindelijk, de opbrengst van het gewenste product wordt verhoogd.

Synchrotronlicht maakt het ongeziene zichtbaar

Omdat de moleculen hetzelfde wegen, ze kunnen niet worden onderscheiden door een massaspectrometer, die stoffen sorteert op basis van hun gewicht. Door middel van zogenaamde vacuüm-ultraviolette synchrotronstraling en een combinatie van massaspectrometrie en foto-elektronenspectroscopie, die voor ons beschikbaar is bij de SLS, we waren in staat om het te doen, Hemberger meldt. Dit betekent:De speciale lichtstralen die de SLS genereert, slaan elektronen uit de moleculen, en deze worden vervolgens met speciale methoden geobserveerd. De waargenomen eigenschappen van deze elektronen zijn als een vingerafdruk, en ze zijn uniek voor elke stof.

Tot nu, dergelijke katalytische processen zijn uitgevoerd op wat de chemicus een 'cook-and-look'-benadering noemt:een trial and error-zoekopdracht - met variaties bijvoorbeeld in temperatuur, katalysator, en concentratie van de moleculen – om uit te vinden welke experimentele opstelling het meeste van het gewenste product oplevert. Met de aanpak ontwikkeld door Patrick Hemberger, kunnen we nu voor het eerst de complexe reactiemechanismen ontrafelen, zegt co-auteur Jeroen van Bokhoven, hoofd van het Laboratorium voor Katalyse en Duurzame Chemie bij PSI en hoogleraar heterogene katalyse aan de ETH Zürich. En zo kunnen we nu nieuwe, beter, en milieuvriendelijkere productieprocessen op een meer gerichte manier, voegt Victoria Cutodis toe, de tweede co-auteur. Daarbovenop, ze verwachten ook dat de aanpak overdraagbaar is naar tal van andere katalytische processen.