木质素赋予植物大部分结构强度，是自然界中最大的可再生芳香化学品来源。它可以占农业和林业废物的相当一部分（多达35%）。然而，木质素复杂的分子结构使得其有效分解极为困难，从而限制了其在可持续制造中的潜在应用。在《ACS Catalysis》上发表的一项研究中，来自化学工程系的国际团队，包括克里斯托弗·帕雷特博士、周欣悦和姜宇涛，开发了一种高效的“单原子催化剂”。研究人员还在分子水平上确定了催化剂如何打破帮助维持木质素结构的强化学键。该催化剂包含嵌入氮掺杂碳材料中的单个钌原子。通过保持钌原子孤立，该设计可以在只需非常少量金属的情况下提供强大的催化性能，提高了与传统系统相比的效率。揭示催化剂分解木质素的机制 在木质素研究中，一个持续的障碍是识别催化剂中哪些部分负责打破材料异常强的化学键。没有这些信息，研究人员在设计更有效催化剂方面的指导很有限。团队发现，一种被称为“Ru-N4位”的特定原子排列特别重要。这些位点激活氧分子并帮助触发木质素中碳-氧和碳-碳键的断裂。通过实验室实验和计算建模的结合，研究人员能够更详细地重建这一过程。催化剂首先激活氧，产生高度反应性物质。这些物质随后攻击木质素结构并将其分裂成更小的分子。 在温和条件下实现高转换率 在优化条件下测试时，催化剂几乎将所有模型木质素化合物转化，并产生高产率的有价值化学产品，包括酚。这一过程还在相对温和的条件下进行，无需苛刻的化学品。这样的组合可能使该方法在开发更可持续的化学制造方法中变得有用。研究人员不仅仅停留在简单的模型化合物上，还对来自多个生物质来源的真实木质素进行了催化剂测试。它成功地将这些样本转化为有用的芳香化合物，这些芳香化合物可能成为燃料、塑料和其他材料的构建块。 朝着基于生物质的化学品的潜在路径 这些发现提供了有关单原子催化剂在生物质转化过程中如何操作的更详细的信息。这种理解可以为未来开发更高效的催化系统提供指导。“精确理解这些催化剂在原子级别上的工作方式，使我们能够设计更好的材料，将可再生资源转化为有价值的化学品，”化学工程讲师克里斯托弗·帕雷特博士说。通过使升华木质素并将其转化为更高价值产品变得更加容易，这项研究可能支持从传统线性石油衍生化学品生产转向更循环、基于生物质的经济的更广泛转变。