纳米科学家通过施加机械力转换生物质

2019-03-15 10:34  来源:Science Daily  浏览:283  

纳米科学家应用机械力(绿色箭头)有效切割纤维素的分子结构。结果,水解反应发生了显着变化。

图片来源:Saeed Amirjalayer等人/ Angegen Chem

全球最大的挑战之一是有效利用可再生能源,以满足未来对能源和原料化学品不断增长的需求。在这种情况下,生物质是现有化石资源(如煤或石油)的有前途的替代品。纤维素在这里起着决定性作用,因为它占天然碳储存的最大部分。这些水库对燃料和基础化学品的生产至关重要。为了充分发挥其潜力,必须打破纤维素的链状结构。这可以通过所谓的水解反应来完成,然而,由于纤维素的原子结构,这种反应很难并且到目前为止非常昂贵。

由Saeed Amirjalayer博士和Harald Fuchs教授以及由Dominik Marx教授领导的波鸿大学领导的明斯特大学(德国)的研究人员现已成功地确定了一种新的反应机制,其中纤维素可以高效转化。机械力。这种所谓的机械催化反应可以导致开发用于生物质转化的有效,环境友好且成本有效的方法。该研究发表在Angewandte Chemie国际版期刊上。

背景资料和方法:

使用水解反应,纤维素主链可以分解成单独的分子结构单元。这些分子结构单元是生产燃料或化学原料的实际基础。在寻找使水解反应更有效的方法时,研究人员已经在早期研究中发现机械力可以影响转化过程的证据。

到目前为止,还不可能在原子水平上阐明每个单独反应步骤中机械力的影响。但是,需要这种洞察力来开发相应的高效且资源有效的过程。在现在发表的着作中,科学家们表明,在一定程度上对纤维素分子使用机械力对反应有显着影响。

为此,纳米科学家进行了所谓的原子建模。这使得它们能够详细地遵循水解反应的各个步骤,同时对分子结构施加机械力。研究人员计算了所谓的能量分布,它描述了在有和没有机械力影响的情况下沿反应坐标的能量路径。他们成功地表明,强调纤维素的分子骨架对水解反应有很大的影响。一方面,激活该过程所需的能量显着降低。另一方面,增加的机械力甚至使得通常的三个反应步骤中的两个变得多余。“

新结果不仅证实了实验观察结果,而且还显示了借助机械力控制分子过程的潜力。“除其他外,我们能够证明纤维素中所谓的质子亲和力可以通过机械力选择性地增加,”Saeed Amirjalayer解释说。

因此,科学家们希望这项工作不仅能够实现纤维素转化的高效环保工艺,而且还能开发出新型机械响应物质,如塑料。这些物质在使用后可通过机械力轻易回收。

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