木質(zhì)素是地球上最豐富的有機(jī)聚合物之一，約占木材和其他植物干質(zhì)量的20%至30%。

盡管木質(zhì)素含量豐富，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)研究人員將其分解成可用于化學(xué)品、塑料和燃料可持續(xù)生產(chǎn)的有用成分提出了挑戰(zhàn)。因此，在紙張和其他植物性產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，木質(zhì)素經(jīng)常被作為廢物丟棄。

然而，佐治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以比以往更有效地將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)。

研究人員使用了一種被稱為機(jī)械催化的方法，這種方法利用物理力，如振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，在球磨機(jī)中驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，而不需要溶劑、熱量或高壓。他們的研究發(fā)表在ACS可持續(xù)化學(xué)與工程雜志上。

佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院教授卡斯滕·西弗斯解釋說，木質(zhì)素生物煉制的第一步是解聚，將木質(zhì)素分解成小分子。

“不幸的是，許多解聚過程需要使用溶劑，將產(chǎn)品與溶劑、催化劑和污染物分離可能是復(fù)雜的，能源密集型的，并且會(huì)留下廢物，”西弗斯說。

“減少這些分離步驟的一種方法是在球磨機(jī)中進(jìn)行木質(zhì)素解聚，在球磨機(jī)中與鋼球碰撞創(chuàng)造環(huán)境，使固態(tài)反應(yīng)成為可能，而不需要溶劑或液相?！?/p>

在工藝中使用鈀

研究生艾琳·菲利普斯(化學(xué))在西弗斯教授和瑪爾塔·哈澤爾教授的共同指導(dǎo)下，使用鈀催化劑來分解木質(zhì)素的堅(jiān)固鍵。鈀粒子具有儲(chǔ)存氫的特殊能力，使化學(xué)反應(yīng)更有效。

研究人員與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Eli Stavitski合作，使用高能同步加速器x射線來驗(yàn)證這種結(jié)合氫的方式可以防止氫從磨球的撞擊位置逃逸的假設(shè)。

他們發(fā)現(xiàn)，在相同的反應(yīng)條件下，鈀催化劑打破木質(zhì)素模型化合物的鍵的速度比鎳基催化劑快300倍。

“效率的顯著提高意味著該過程可以在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的苯酚和其他有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)，使其成為大規(guī)模生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的有希望的方法，”菲利普斯說。

西弗斯的研究小組先前已經(jīng)證明木質(zhì)素化合物可以在氫解反應(yīng)中與氫和鎳催化劑轉(zhuǎn)化。但哈澤爾補(bǔ)充說，這種反應(yīng)所需的時(shí)間還有改進(jìn)的空間。

研究人員說，他們的新方法可以為利用木質(zhì)素和其他生物質(zhì)資源的未開發(fā)潛力的新技術(shù)鋪平道路，因?yàn)楣I(yè)正在尋找更可持續(xù)和更有效的化學(xué)生產(chǎn)方法。