木質素賦予植物大部分結構強度，並且是自然界中芳香化學品最大的可再生來源。它佔農業和林業廢棄生物質的比例可高達 35%。然而，木質素複雜的分子結構使其極難有效分解，這限制了其在永續製造中的潛在應用。

在一項發表於《ACS Catalysis》的研究中，一個國際團隊（包括化學工程系的 Christopher Parlett 博士、Xinyue Zhou 和 Yutao Jiang）開發了一種高效的「單原子催化劑」。研究人員還在分子層級確定了該催化劑如何打破木質素結合在一起的強化學鍵。

該催化劑包含嵌入氮摻雜碳材料中的單獨釕原子。透過保持釕原子隔離，該設計能夠提供強大的催化性能，同時僅需極少量的金屬，與傳統系統相比提高了效率。

揭示催化劑如何分解木質素

木質素研究中一個持續存在的障礙是精確識別催化劑中負責打破該材料異常強化的學鍵的部分。沒有這些資訊，研究人員在設計更有效的催化劑方面就受到限制。

該團隊發現，一種稱為「Ru-N 4 位點」的特定原子排列尤其重要。這些位點活化氧分子，並有助於觸發木質素中碳-氧和碳-碳鍵的斷裂。

利用實驗室實驗和計算建模的結合，研究人員能夠更詳細地重建該過程。催化劑首先活化氧，產生高反應性物質。這些物質隨後攻擊木質素結構，將其分解成更小的分子。

溫和條件下的高轉化率

在優化條件下測試時，該催化劑幾乎完全轉化了模型木質素化合物，並產生了高產率的有價值的化學產品，包括酚。

該過程還在相對溫和的條件下進行，並且不需要苛刻的化學品。這種組合可能使該方法對於開發更永續的化學製造方法有用。

研究人員超越了簡化的模型化合物，並在從多個生物質來源收集的真實木質素上測試了該催化劑。它成功地將這些樣本轉化為有用的芳香化合物，這些化合物可能成為燃料、塑膠和其他材料的構建塊。

邁向生物質基化學品的潛在途徑

這些發現提供了單原子催化劑在生物質轉化過程中如何運作的更詳細圖像。這種理解可以作為未來開發更有效催化系統的指南。

化學工程講師 Christopher Parlett 博士表示：「確切了解這些催化劑在原子層級如何運作，使我們能夠設計出更好的材料，將可再生資源轉化為有價值的化學品。」

透過更容易升級木質素並將其轉化為更高價值的產品，這項研究可以支持從傳統的線性石油衍生化學品生產轉向更循環的、基於生物質的經濟。