Dall'inesauribile materia prima lignina, che come costituente di molte piante si accumula in grandi quantità, combustibili e altre sostanze importanti potrebbero in teoria essere estratti per l'industria – finora, anche se, non può essere fatto in modo abbastanza efficiente. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e dell'ETH di Zurigo hanno ora trovato un metodo per identificare i prodotti intermedi mai visti prima delle reazioni catalitiche utilizzate per questa conversione. Ciò potrebbe consentire in futuro un miglioramento più mirato dei metodi di produzione. Lo studio appare nell'ultimo numero della rivista Comunicazioni sulla natura .

Quanto sarebbe pratico e rispettoso dell'ambiente se il carburante potesse essere semplicemente prodotto dai rifiuti delle piante. o fenoli, che sono urgentemente necessari nell'industria delle materie plastiche. E se potessimo semplicemente ottenere le materie prime fondamentali della nostra civiltà da qualcosa che la natura produce in abbondanza anno dopo anno, che altrimenti lasciamo marcire?

La lignina per esempio si trova in tutte le piante legnose ed è, con circa 20 miliardi di tonnellate prodotte ogni anno, la sostanza organica più comune sulla Terra oltre alla cellulosa e alla chitina. È costituito principalmente da carbonio, idrogeno, e ossigeno in una molecola grande e molto complessa, che è composto da composti più piccoli come quelli necessari per la produzione di carburante e fenoli.

Un passo importante verso la comprensione del meccanismo

Teoricamente, questi composti possono essere ottenuti dalla lignina tramite cracking. chimicamente, però, questo è estremamente complicato e costoso. La linea di fondo:fino ad ora, semplicemente non paga. Eppure questo potrebbe cambiare, grazie a metodi più sofisticati. E ricercatori in Svizzera, al Paul Scherrer Institute PSI di Villigen e al Politecnico federale di Zurigo, hanno compiuto un passo importante verso la comprensione del meccanismo alla base delle reazioni che possono portare alle sostanze chimiche desiderate. In questo metodo, la grande molecola di lignina – come modello, i ricercatori hanno utilizzato il blocco costitutivo della lignina guaiacolo (una parte della molecola più grande) – è diviso in molecole ancora più piccole a circa 400 gradi in un ambiente privo di ossigeno. Per fare questo, viene impiegato un catalizzatore, un materiale che accelera la reazione senza consumarsi. In questo caso, i ricercatori usano una zeolite, un materiale con molti pori e quindi un'ampia superficie in cui può avvenire la reazione.

Primo, i cosiddetti intermedi sorgono per solo frazioni di secondo:specie gassose reattive che reagiscono immediatamente con acqua e ossigeno per formare fenoli e altri prodotti finali stabili. Questi intermedi non possono essere osservati con i metodi convenzionali, dice Patrick Hemberger, scienziato della linea di luce presso la Swiss Light Source SLS del PSI. Prima di tutto, difficilmente puoi distinguerli, perché le loro molecole sono spesso costituite dagli stessi atomi, solo organizzato diversamente. Ma se potessimo determinare questi prodotti intermedi e le loro concentrazioni, allora sarebbe anche possibile modificare il processo in modo tale che particolari intermedi siano generati preferenzialmente e, alla fine, si aumenta la resa del prodotto desiderato.

La luce di sincrotrone rende visibile l'invisibile

Poiché le molecole hanno lo stesso peso, non possono essere distinti da uno spettrometro di massa, che classifica le sostanze in base al loro peso. Mediante la cosiddetta radiazione di sincrotrone ultravioletta sotto vuoto e una combinazione di spettrometria di massa e spettroscopia fotoelettronica, che è a nostra disposizione presso la SLS, siamo stati in grado di farlo, Hemberger riferisce. Ciò significa:gli speciali fasci di luce che l'SLS genera dagli elettroni knock dalle molecole, e questi vengono poi osservati con metodi speciali. Le proprietà osservate di questi elettroni sono come un'impronta digitale, e sono unici per ogni sostanza.

Fino ad ora, tali processi catalitici sono stati eseguiti su quello che il chimico chiama un approccio cook and look:una ricerca per tentativi ed errori - con variazioni per esempio di temperatura, catalizzatore, e concentrazione delle molecole - per trovare quale configurazione sperimentale produce la maggior parte del prodotto desiderato. Con l'approccio sviluppato da Patrick Hemberger, possiamo ora per la prima volta svelare i complessi meccanismi di reazione, afferma il co-autore Jeroen van Bokhoven, capo del Laboratorio di catalisi e chimica sostenibile al PSI e professore di catalisi eterogenea all'ETH di Zurigo. E così ora possiamo sviluppare nuovi, meglio, e processi produttivi più rispettosi dell'ambiente in modo più mirato, aggiunge Victoria Custodis, il secondo coautore. Oltre a ciò, si aspettano anche che l'approccio sia trasferibile a numerosi altri processi catalitici.