Используя двойную каталитическую систему, состоящую из суперкислотных и платиновых частиц, исследователи из Технологического института Джорджии показали, что они могут добавлять водород и удалять кислород из лигнинового биомасла, что делает масло более полезным в качестве топлива и источника химического сырья. Процесс, основанный на необычном водородном цикле, может выполняться при низкой температуре и давлении окружающей среды, что повышает практичность модернизации и снижает потребление энергии.
«С точки зрения окружающей среды и устойчивости люди хотят использовать масло, произведенное из биомассы», – сказал Юлин Дэн, профессор Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии и Института возобновляемых биопродуктов. «Мировое производство лигнина при производстве бумаги и биоэтанола составляет 50 миллионов тонн в год, и более 95% этого количества просто сжигается для выработки тепла. Моя лаборатория ищет практические методы улучшения низкомолекулярных соединений лигнина, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными в качестве высококачественного биотоплива и биохимических продуктов."
Процесс был описан 7 сентября в журнале Nature Energy. Исследование было поддержано Институтом возобновляемых биопродуктов Технологического института Джорджии.
Целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин извлекаются из деревьев, трав и других материалов биомассы. Целлюлоза используется для производства бумаги, этанола и других продуктов, но лигнин – сложный материал, придающий силу растениям, – в основном не используется, потому что его трудно разлагать на масла с низкой вязкостью, которые могут служить отправной точкой. для керосина или дизельного топлива.
Методы пиролиза, проводимые при температурах выше 400 градусов Цельсия, могут использоваться для создания биомасел, таких как фенолы, из лигнина, но в маслах не хватает водорода и они содержат слишком много атомов кислорода, чтобы их можно было использовать в качестве топлива. Текущий подход к решению этой проблемы включает добавление водорода и удаление кислорода с помощью каталитического процесса, известного как гидродеоксигенация.
Но теперь этот процесс требует высоких температур и давлений, в десять раз превышающих окружающие, и при этом образуются полукокса и смола, которые быстро снижают эффективность платинового катализатора.
Дэн и его коллеги намеревались разработать новый процесс на основе раствора, который будет добавлять водород и удалять кислород из мономеров нефти с использованием водородной буферной каталитической системы. Поскольку водород имеет очень ограниченную растворимость в воде, реакция гидрирования или гидродеоксигенации биотоплива лигнина в растворе очень затруднена.
Группа Дэна использовала полиоксометаллатную кислоту (SiW12) как в качестве агента переноса водорода, так и в качестве катализатора реакции, который помогает переносить газообразный водород из межфазной фазы газ-жидкость в основной раствор посредством обратимой экстракции водорода. Затем процесс высвободил водород в качестве активного компонента H * на поверхности наночастиц платины на углероде, что решило ключевую проблему низкой растворимости водорода в воде при низком давлении.
«На платине полиоксометаллатная кислота захватывает заряд водорода с образованием H +, растворимого в воде, но заряды могут быть обратимо перенесены обратно на H + с образованием активного H * внутри раствора», – сказал Дэн. В результате газообразный водород переходит в водную фазу с образованием активного H *, который может напрямую реагировать с лигниновым маслом внутри раствора.
Во второй части необычного водородного цикла полиоксометаллатная кислота создает основу для удаления кислорода из мономеров бионефти.
«Суперкислота может снизить энергию активации, необходимую для удаления кислорода, и в то же время в растворе будет больше активного водорода H *, который реагирует на молекулы масла», – сказал Дэн. «В растворе происходит быстрая реакция с активным атомом водорода H * и лигниновым маслом на поверхности катализатора. Обратимая реакция водорода с полиоксометаллатом с образованием H +, а затем с образованием атома водорода H * на поверхности платинового катализатора представляет собой уникальный обратимый цикл."
Частицы платины и полиоксометаллатную кислоту можно повторно использовать в течение нескольких циклов без снижения эффективности. Исследователи также обнаружили, что эффективность гидрогенизации и гидродеоксигенации лигнинового масла варьируется в зависимости от конкретных мономеров в масле.
«Мы протестировали 15 или 20 различных молекул, полученных пиролизом, и обнаружили, что эффективность преобразования колеблется от 50 процентов на нижнем уровне до 99 процентов на верхнем уровне», – сказал Дэн. «Мы не сравнивали стоимость потребляемой энергии, но эффективность преобразования была как минимум в десять раз лучше, чем то, что сообщалось при аналогичных условиях низкой температуры и низкого давления водорода."
Работа при более низких температурах – ниже 100 градусов Цельсия – уменьшила проблему образования угля и смолы на платиновом катализаторе. Дэн и его коллеги обнаружили, что они могут использовать одну и ту же платину как минимум десять раз без ухудшения каталитической активности.
Среди предстоящих задач – повышение селективности продукта за счет использования различных металлических каталитических систем и разработка новых методов разделения и очистки различных биохимических веществ лигнина в растворе. Платина дорога и пользуется большим спросом для других приложений, поэтому поиск более дешевого катализатора может повысить общую практичность процесса – и, возможно, сделать его более избирательным.
Помогая удовлетворить спрос на масла на биологической основе, новый метод может также принести пользу лесной, бумажной и биоэтанольной отраслям, обеспечивая потенциальный поток доходов от лигнина, который часто просто сжигается для получения тепла.
«Объем мирового рынка лигнина оценивался в 954 доллара.5 миллионов в 2019 году, что составляет лишь очень небольшую часть лигнина, производимого во всем мире. Ясно, что промышленность хочет найти больше применений для этого, превращая лигнин в химические вещества или биомасла », – сказал Дэн. "Лучшее использование этого материала принесет пользу окружающей среде."