一項新的研究探討了一種創新的方法，可以將木材中最堅硬的部分轉化為高度有用的化學品，而無需燃燒化石燃料或使用高壓氫氣。這項研究提出了一種巧妙的電化學方法，能夠將木質素——植物提供強度的堅韌材料——分解為高價值的化合物。這一進展具有重要意義，因為木質素是地球上最豐富的碳源之一，但卻難以有效利用。研究作者指出，「其高芳香性和強化學鍵結使得木質素非常難以分解，這對其有效轉換構成了重大挑戰。」通過用電力替代苛刻的條件，這種方法提供了一種更簡單、更清潔的方式來釋放木質素的潛力。
研究人員認為，若此方法能在大規模上運作，將能把木材廢料轉化為可靠的燃料和有價值的化學品。木質素長期以來因其錯綜複雜的結構和非常強的化學鍵而抵抗有效轉化。這些化學鍵如同頑固的連結，將結構緊密地固定在一起，使其難以斷開。到目前為止，斷開這些連結通常需要高溫、高壓和添加氫氣。這些苛刻的條件消耗大量能源，且仍難以產生特定的、有用的產品。
為了解決這一問題，研究人員設計了一個基於 5 wt% 鉑碳催化劑的電化學系統。該系統並非從外部供應氫氣，而是通過水的電驅動過程在催化劑表面直接生成反應性氫，這樣可以實現鍵的斷裂和氫化的同時進行。這些表面結合的氫分子隨後攻擊木質素的堅韌鍵結，將其分解，並將碎片轉化為更穩定和有價值的分子。
研究團隊首先使用代表木質素關鍵連結的模型化合物進行測試。模擬 4–O–5 鍵的化合物，如二苯醚和苯基甲苯醚，在 70°C 和 50 mA/cm² 的電流密度下，90 分鐘內完全轉化。「我們在 90 分鐘內達到 100% 的二芳醚轉化，並且對應的單體選擇性高。」研究作者表示。更令人印象深刻的是，另一種化合物在僅 30°C 的條件下也完全分解，顯示該方法能在較溫和的條件下運行。此外，該過程不僅破壞了分子，還以非常高的精度將其轉化為有用的產品，在許多情況下，所需的化學品產率超過 99%。
這一系統的一個關鍵優勢在於催化劑的雙重功能。Pd/C 催化劑的其中一種形式，氧化鉑 (PdO)，負責斷開木質素中的碳-氧鍵。另一種形式，金屬鉑 (Pd⁰)，則隨後負責將生成的碎片氫化成穩定的化合物，如環己醇和環己烷。當單獨測試時，兩種形式的表現都不佳。純鉑的轉化率僅為 19.3%，而氧化鉑的轉化率為 57.4%。但在 Pd/C 系統中，兩者一起作用時，則展現出最高的活性和選擇性。
研究團隊還對過程進行了優化，發現添加少量異丙醇 (30 wt%) 可以使反應更順利，提升電能利用效率。最佳結果出現在 50 mA/cm² 的電流密度下，而較高的電流則因產生不必要的氫氣而降低性能。為了檢驗此方法在實際應用中的效果，他們在真實的白樺木上進行了測試。在初步步驟中去除 81% 的木質素後，僅產生了 5% 的有用產品。然而，當在較溫和的條件下應用新方法時，產率在一小時內提升至 13.6%，在四小時內達到 19.6%。研究作者補充道：「我們從白樺木生物質中獲得了 19.6 C% 的木質素衍生苯酚單體產率。」此外，這一過程產生了可用於燃料和材料的有用建築塊化學品，其中一種關鍵產品佔總產出的 41.6%。
這項研究介紹了一種新的生物精煉平台，通過電力而非化石燃料或高壓氫運行。通過在相對溫和的條件下，將斷鍵和化學升級結合在單一步驟中，這提供了一種更可持續的方式來將植物廢物轉化為有價值的材料。利用電力輸入精確控制反應的能力，還使得該過程靈活且具有潛在的可擴展性。然而，仍有改進的空間。來自真實生物質的產量雖然有所改善，但仍低於大規模工業使用所需的水平。未來的研究可能將集中在提升效率和調整該過程以實現持續的大規模運行。該研究發表於期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。
