Учёные раскрыли ключевую роль воды в платиновом катализе для переработки биомассы

Платиновый катализ конверсии биомассы через водный путь. Автор: NIMTE

Учёные определили критический механизм на атомном уровне, который позволяет воде значительно усиливать платиновый (Pt) катализ при переработке биомассы. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Биомасса, один из самых распространённых возобновляемых ресурсов планеты, может каталитически преобразовываться в топливо и химические вещества для замены продуктов, получаемых из ископаемого сырья. Это ключевой путь для достижения глобальных целей углеродной нейтральности.

Основной этап этого процесса включает переработку фурановых соединений — ключевых платформенных молекул, конверсия которых требует селективного разрыва C-O связей в их стабильных фурановых кольцах. Этот разрыв необходим для производства высокоценных спиртов, карбоновых кислот и аминов.

Предыдущие эксперименты показали, что гидрирование с раскрытием фуранового кольца на платиновом катализаторе протекает намного быстрее в воде, чем в органических растворителях, с заметно иной селективностью продуктов. Однако атомный механизм, лежащий в основе этого драматического усиления катализа водой, долгое время оставался неясным — до сих пор.

Чтобы разрешить эту загадку, исследовательская группа под руководством профессора Чжан Цзяня из Нинбоского института технологии и инженерии материалов (NIMTE) Китайской академии наук сотрудничала с профессором Уильямом А. Годдардом III из Калифорнийского технологического института (Caltech).

Комбинируя изотопные кинетические эксперименты с квантово-механическими расчётами, команда определила двойную роль воды: она действует как «протонный челнок» и как «нуклеофил».

Их выводы описывают детальный «водный путь». В этом механизме вода непосредственно участвует в восстановительном расщеплении связей C−O, помогая переносу протона — эффективно активируя путь реакции с низким энергетическим барьером. Кроме того, молекулы воды функционируют как нуклеофилы, атакуя атом углерода C(2) в фурановом соединении. Эта атака запускает миграцию гидроксила в реакционном промежуточном продукте, который затем последовательно гидрируется с образованием спиртов.

Примечательно, что ионы гидроксония (H₃O⁺) спонтанно образуются на границе раздела между платиновым катализатором и водой на протяжении всего каталитического цикла. Команда обнаружила, что эти ионы косвенно влияют как на механизм реакции, так и на её кинетику.

«Понимание каталитической роли растворителей даёт критически важную информацию для продвижения сложных жидко-твёрдофазных каталитических процессов, — сказал профессор Чжан, корреспондент исследования. — Эти знания позволят нам разрабатывать более эффективные процессы конверсии биомассы, поддерживая устойчивое производство химических веществ».

Исследование предлагает теоретическую поддержку для масштабирования зелёного промышленного производства биологических химикатов — материалов, которые считаются центральными для сокращения зависимости от ископаемого топлива и снижения выбросов углерода.

Больше информации: Mingxin Lv et al, The Water-Mediated Reaction Pathway for Catalytic Opening of the Furanic Ring on Platinum Catalysts, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c02521

Источник: Chinese Academy of Sciences