В 2024 году команда Национального университета Тайваня под руководством профессора Чих-Джун Чена представила радикально новый подход к преобразованию биомассы и одновременному получению водорода. Исследование, опубликованное в Chemical Engineering Journal, демонстрирует платформу, делающую эти процессы более чистыми, эффективными и экономичными.
Ключевым элементом инновации стал так называемый «редокс-резервуар» (RR), который позволяет полностью разделить процессы окисления 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) и получения водорода (HER) — как по месту, так и по времени. Эта технология минимизирует побочные реакции и дает полный контроль над ходом преобразования.
В традиционных схемах HMF окисляют в сильных щелочных электролитах, что ускоряет реакцию, но приводит к нежелательным побочным процессам, например, к диспропорционированию по Канниццаро и образованию гуминов, снижая выход ценных продуктов и эффективность использования углерода. Более того, сама реакция водородовыделения может разлагать HMF и приводить к дополнительным потерям сырья.
Новый подход базируется на использовании электрода из оксигидроксида никеля (NiOOH), который можно многократно использовать. В отличие от классических методов, реакция проводится в чистой воде, без каких-либо солей электролита или внешнего напряжения. Химическое окисление HMF происходит за счет NiOOH, который в процессе превращается в гидроксид никеля [Ni(OH)₂]. После этого восстановленный RR-электрод регенерируется электрохимически во время HER, замыкая цикл.
Ведущий автор работы Ши-Вэй Лин образно сравнил новую архитектуру: «Это похоже на гидроаккумулирующую станцию, но в микроразмере». Такая аналогия подчеркивает, что накопление и использование энергии разделены во времени и пространстве.
Результаты впечатляют: из HMF с концентрацией до 300 мМ (уровень, сопоставимый с промышленными масштабами) получают 97,4% 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA). На стадии регенерации NiOOH достигнута фарадеевская эффективность 96,0%, а общий КПД по напряжению составил 94,8%.
Система демонстрирует универсальность: ее можно применять для окисления и других органических веществ с альдегидными или спиртовыми группами, например, фурфурола. Профессор Чих-Джун Чен особо отметил это свойство: «Универсальность системы позволяет нам работать с широким спектром биомолекул». Отсутствие электролитов и мембран упрощает очистку конечных продуктов, снижает энергозатраты, уменьшает стоимость материалов и минимизирует потери углерода, одновременно повышая чистоту получаемых химикатов.
Разработка открывает путь для масштабируемого и экологически чистого производства химикатов из биомассы и водорода, что особенно актуально на фоне задач по декарбонизации химической промышленности. Технология позволяет использовать возобновляемую электроэнергию для химических превращений с минимальным воздействием на окружающую среду, демонстрируя новый стандарт устойчивого синтеза.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключевым элементом инновации стал так называемый «редокс-резервуар» (RR), который позволяет полностью разделить процессы окисления 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) и получения водорода (HER) — как по месту, так и по времени. Эта технология минимизирует побочные реакции и дает полный контроль над ходом преобразования.
В традиционных схемах HMF окисляют в сильных щелочных электролитах, что ускоряет реакцию, но приводит к нежелательным побочным процессам, например, к диспропорционированию по Канниццаро и образованию гуминов, снижая выход ценных продуктов и эффективность использования углерода. Более того, сама реакция водородовыделения может разлагать HMF и приводить к дополнительным потерям сырья.
Новый подход базируется на использовании электрода из оксигидроксида никеля (NiOOH), который можно многократно использовать. В отличие от классических методов, реакция проводится в чистой воде, без каких-либо солей электролита или внешнего напряжения. Химическое окисление HMF происходит за счет NiOOH, который в процессе превращается в гидроксид никеля [Ni(OH)₂]. После этого восстановленный RR-электрод регенерируется электрохимически во время HER, замыкая цикл.
Ведущий автор работы Ши-Вэй Лин образно сравнил новую архитектуру: «Это похоже на гидроаккумулирующую станцию, но в микроразмере». Такая аналогия подчеркивает, что накопление и использование энергии разделены во времени и пространстве.
Результаты впечатляют: из HMF с концентрацией до 300 мМ (уровень, сопоставимый с промышленными масштабами) получают 97,4% 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA). На стадии регенерации NiOOH достигнута фарадеевская эффективность 96,0%, а общий КПД по напряжению составил 94,8%.
Система демонстрирует универсальность: ее можно применять для окисления и других органических веществ с альдегидными или спиртовыми группами, например, фурфурола. Профессор Чих-Джун Чен особо отметил это свойство: «Универсальность системы позволяет нам работать с широким спектром биомолекул». Отсутствие электролитов и мембран упрощает очистку конечных продуктов, снижает энергозатраты, уменьшает стоимость материалов и минимизирует потери углерода, одновременно повышая чистоту получаемых химикатов.
Разработка открывает путь для масштабируемого и экологически чистого производства химикатов из биомассы и водорода, что особенно актуально на фоне задач по декарбонизации химической промышленности. Технология позволяет использовать возобновляемую электроэнергию для химических превращений с минимальным воздействием на окружающую среду, демонстрируя новый стандарт устойчивого синтеза.
