Ein auf Ru basierender Katalysator treibt die Aufbereitung von elektrifiziertem Lignin zu hochwertigen Kraftstoffen voran

Eine Bi-Ru-Grenzflächenstruktur unterdrückt die Bildung von Wasserstoffgas und lenkt den aktiven Wasserstoff auf die Spaltung von Ligninbindungen

19.06.2026

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Lignin ist einer der am häufigsten vorkommenden nachwachsenden aromatischen Rohstoffe auf der Erde. Als Hauptbestandteil der pflanzlichen Biomasse enthält es zahlreiche Benzolringstrukturen, die in hochwertige Chemikalien und Kraftstoffmoleküle umgewandelt werden könnten. Allerdings ist Lignin auch sehr komplex und lässt sich nur schwer effizient aufspalten, da seine Struktureinheiten durch starke C-O- und C-C-Bindungen miteinander verbunden sind.

Die elektrokatalytische Hydrierung bietet einen vielversprechenden Weg, Lignin unter milden Bedingungen mithilfe von Strom anstelle von Hochdruck-Wasserstoffgas aufzuwerten. Dieser Ansatz ist attraktiv, da er mit erneuerbarem Strom kombiniert werden kann und eine präzise Steuerung des Reaktionsprozesses ermöglicht. Eine große Herausforderung bleibt jedoch bestehen: Bei elektrochemischen Reaktionen werden aktive Wasserstoffspezies oft durch die konkurrierende Wasserstoffentwicklungsreaktion verbraucht, wodurch H2-Gas entsteht, anstatt an der Ligninumwandlung teilzunehmen. Dies senkt die Energieeffizienz und schränkt die Produktbildung ein.

Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Junming Xu vom Institut für chemische Industrie forstwirtschaftlicher Produkte der Chinesischen Akademie für Forstwirtschaft einen Ru@Bi/N-C-Katalysator mit optimierter Grenzflächenstruktur, gekoppelt mit einem multifunktionalen HPW-HFIP-Elektrolytsystem, für die effiziente elektrokatalytische Hydrierung und Aufwertung von Lignin. Die Studie zeigt, dass die Bi-Ru-Grenzflächenstruktur und benachbarte N-Defektstellen die Migration von aktivem Wasserstoff präzise regulieren, die konkurrierende Wasserstoffentwicklungsreaktion unterdrücken und die selektive Spaltung von Ligninbindungen fördern können. Diese synergistische Katalysator-Elektrolyt-Strategie ermöglicht eine hocheffiziente Umwandlung von Lignin-Modellverbindungen in wertvolle aromatische Monomere und kraftstoffbezogene Chemikalien und bietet damit einen vielversprechenden Weg für die nachhaltige Verwertung von Biomasse.

In diesem System unterdrückt die Bi-Ru-Grenzfläche die übermäßige Wasserstoffgasbildung an Ru-Stellen und fördert gleichzeitig die Migration von aktivem Wasserstoff zu benachbarten Stickstoff-Defektstellen. Diese benachbarten Stellen bieten eine geeignete Adsorptionsstärke für Lignin-Modellverbindungen, wodurch diese eine effiziente Bindungsspaltung und eine schnelle Produktdesorption durchlaufen können. Einfach ausgedrückt hilft der Katalysator dem aktiven Wasserstoff, den „richtigen Weg“ zu wählen: mit Ligninmolekülen zu reagieren, anstatt Wasserstoffgas zu bilden.

Auch der Elektrolyt spielt eine entscheidende Rolle. Phosphowolframsäure, abgekürzt HPW, fungiert als Elektronen- und Protonenvermittler. Sie kann Elektronen reversibel aufnehmen und abgeben und trägt so zur Bildung aktiver Wasserstoffspezies auf der Oberfläche des suspendierten Katalysators bei. Gleichzeitig fördert HFIP, ein hochpolares Additiv, die Aktivierung von Hydroxylgruppen in Lignin-abgeleiteten Molekülen und senkt die Energiebarriere für die Spaltung der C-O-Bindung. Zusammen schafft der HPW-HFIP-Elektrolyt ein günstiges Reaktionsmikromilieu für eine effiziente Aufwertung von Biomasse.

Unter Verwendung von 2-Phenoxy-1-phenylethanol als repräsentative Lignin-Modellverbindung erreichte der Ru@Bi/N-C-Katalysator eine Umwandlung von 93,64 % und eine Faraday-Effizienz von 91,92 %. Die Reaktion erzeugte mehrere wertvolle aromatische Monomere, darunter Phenol- und Phenylethanol-Derivate. Weitere mechanistische Untersuchungen mittels elektrochemischer Messungen, In-situ-Raman-Spektroskopie, temperaturprogrammierter Wasserstoffdesorption und theoretischer Berechnungen bestätigten, dass die hohe Leistungsfähigkeit auf die synergistische Regulierung von Wasserstoffmigration, Substratadsorption und elektrolytunterstützter Aktivierung zurückzuführen ist.

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Originalveröffentlichung

Jingjing Shi, Yanju Lu, Kui Wang, Zupeng Chen, Junming Xu, Jianchun Jiang; "Highly efficient electrocatalytic reductive cleavage of lignin model compounds over Ru@Bi/N-C: Interfacial and defect effects"; Chinese Journal of Catalysis, Volume 84

https://www.chemie.de/news/1188950/ein-auf-ru-basierender-katalysator-treibt-die-aufbereitung-von-elektrifiziertem-lignin-zu-hochwertigen-kraftstoffen-voran.html