Umeå universitets logga

This research explores the potential of abundant biopolymers, specifically chitin and lignin, found in biomass byproducts to address environmental and energy challenges.

Chitin, commonly found in crustacean shells, can be deacetylated to produce chitosan, a versatile material with various industrial applications. Traditional chitosan production is energy-intensive and uses corrosive reagents.  In order to improve the process, Paper I introduces a ‘greener’ method, using the ionic liquid [Emim][OAc] for chitin pretreatment, followed by microwave-assisted deacetylation in aqueous NaOH or [TBA][OH] solutions. The pretreatment effectively reduces the chitin crystallinity, improving its reactivity for achieving up to 85% deacetylation in 1-2 hours. Both [Emim][OAc] and [TBA][OH] are regenerated (97% and 83%, respectively), offering a more sustainable chitosan production method, which can serve as a substrate for e.g. catalysts in industry. Paper II investigates the adsorption and catalytic reduction of phenol red dye using Ag-loaded chitosan catalysts. These catalysts display excellent activity across a broad pH range (4–11), with efficient adsorption at near-neutral pH (6.4) and room temperature. After five recycling cycles, the catalysts maintain structural stability, with only a 0.2% loss of Ag, demonstrating their potential for wastewater treatment.

Lignin, an abundant but underutilized polymer in wood biomass, is typically burned for heat. Recent interest has focused on converting lignin into valuable products like jet-fuel range hydrocarbons and fine chemicals. The challenge is selectively breaking C–O and C–C bonds in lignin while maintaining catalyst stability. Paper III explores C–O cleavage in lignin models using multifunctional Ru/NbOPO₄/TiO₂ catalysts, achieving high yields of hydrocarbons (86.9–100%) under mild conditions. Paper IV investigates both C–O and C–C cleavage with Ru/NbOPO₄ catalysts, producing >99% conversion in model compounds with high yield of hydrocarbons. The catalysts’ performance is driven by the tunable synergy between Lewis and Brønsted acid sites of niobium phosphate and the hydrogen activation role of Ru.

This interdisciplinary research advances biopolymer chemistry and catalysis, offering sustainable solutions for environmental and energy challenges by maximizing biomass byproducts and providing eco-friendly alternatives in wastewater treatment and renewable energy.

Denna forskning undersöker potentialen hos två viktiga biopolymerer, specifikt kitin och lignin, som finns i biprodukter från biomassa, för att möta miljö- och energirelaterade utmaningar. 

Kitin, som vanligen återfinns i kräftdjurskal, kan deacetylseras för att producera kitosan, ett mångsidigt material med olika industriella tillämpningar. Traditionell kitosanproduktion är energikrävande och använder korrosiva reagenser. För att förbättra denna process introducerar Paper I en ’grönare’ metod, där den joniska vätskan [Emim][OAc] används för förbehandling av kitin, följt av mikrovågshjälpt deacetylation i vattenlösningar av NaOH eller [TBA][OH]. Förbehandlingen reducerar effektivt kitinets kristallinitet och förbättrar dess reaktivitet för att uppnå upp till 85% deacetylation på 1-2 timmar. Både [Emim][OAc] och [TBA][OH] kan regenereras (97% respektive 83%), vilket erbjuder en mer hållbar metod för kitosanproduktion som kan tex. fungera som substrat för katalysatorer i industrin. Paper II undersöker adsorption och katalytisk reduktion av fenolröd färgämne med Ag-belastade kitosankatalysatorer. Dessa katalysatorer visar utmärkt aktivitet över ett brett pH-intervall (4–11), med effektiv adsorption vid nästan neutralt pH (6,4) samt vid rumstemperatur. Efter fem återvinningscykler bibehåller katalysatorerna deras strukturella stabilitet med endast 0,2% förlust av Ag, vilket visar deras potential för avloppsvattenrening.

Lignin, en viktig men underutnyttjad polymer i träbiomassa, bränns vanligtvis till energi och värme. Nyligen har intresset ökat för att omvandla lignin till värdefulla produkter som jetbränsle-kolväten och finkemikalier. Utmaningen ligger i att selektivt bryta C–O och C–C-bindningar i lignin samtidigt som katalysatorns stabilitet bibehålls. Paper III undersöker C–O-klyvning i ligninmodelmolekyler med multifunktionella Ru/NbOPO₄/TiO₂-katalysatorer, vilket ger hög utbyte av kolväten (86,9–100%) under milda betingelser. Paper IV undersöker både C–O och C–C-klyvning med Ru/NbOPO₄-katalysatorer, varvid >99% konversion av modellföreningar uppnås med högt utbyte av kolväten. Katalysatorernas prestanda drivs av den justerbara synergismen mellan Lewis- och Brønsted-surheten hos niobiumfosfat och väteaktiveringsrollen hos Ru.

Denna tvärvetenskapliga forskning främjar biopolymerkemi och katalys, och erbjuder hållbara lösningar till miljö- och energimässiga utmaningar genom att maximera användningen av biprodukter från biomassa och tillhandahålla miljövänliga alternativ inom avloppsvattenrening och förnybar energi.

Nghiên cứu này nhằm khám phá tiềm năng của những polymer sinh học có trong các phụ phẩm sinh khối, cụ thể là chitin và lignin, trong việc giải quyết các thách thức về môi trường và năng lượng.

Chitin được tìm thấy nhiều trong vỏ động vật giáp xác và có thể deacetyl hóa để tạo ra chitosan, một vật liệu đa dụng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Sản xuất chitosan truyền thống thường tiêu tốn nhiều năng lượng và cần đến các tác chất có tính ăn mòn cao. Để cải thiện, Bài báo I giới thiệu một phương pháp ’xanh hơn’, sử dụng chất lỏng ion [Emim][OAc] để xử lý sơ bộ chitin, sau đó tiến hành deacetyl hóa trong dung dịch NaOH hoặc [TBA][OH] với sự hỗ trợ của vi sóng. Quá trình tiền xử lý giúp giảm độ tinh thể của chitin, tăng hoạt tính phản ứng, và đạt tới 85% deacetyl hóa trong 1-2 giờ. Cả [Emim][OAc] và [TBA][OH] đều có thể tái tạo với hiệu suất tương ứng 97% và 83%, đem lại tính bền vững cho phương pháp, và tăng thêm cơ hội cho chitosan trong các ngành công nghiệp, thí dụ như xúc tác. Bài báo II nghiên cứu quá trình hấp phụ và khử thuốc nhuộm phenol đỏ bằng xúc tác Ag/chitosan. Xúc tác này thể hiện hoạt tính cao với phạm vi pH rộng (4–11), và khả năng hấp phụ hiệu quả nhất ở pH gần trung tính (6.4), nhiệt độ phòng. Sau năm lần tái sử dụng, xúc tác vẫn duy trì độ ổn định cấu trúc, mất chỉ 0.2% Ag, chứng minh tiềm năng trong xử lý nước thải.

Lignin là một polymer phổ biến trong sinh khối gỗ, nhưng chưa được khai thác nhiều, mà thường chỉ bị đốt để tạo nhiệt năng. Gần đây, nhiều nghiên cứu bắt đầu tập trung vào việc chuyển hóa lignin thành các sản phẩm có giá trị hơn, như phụ gia nhiên liệu máy bay hay hóa chất thương phẩm. Thách thức nằm ở việc bẻ gãy chọn lọc các liên kết C–O và C–C trong lignin đồng thời duy trì khả năng tái sử dụng của xúc tác. Bài báo III nghiên cứu sự cắt đứt C–O trong các hợp chất mô phỏng lignin bằng xúc tác đa năng Ru/NbOPO₄/TiO₂. Nghiên cứu cho hiệu suất chuyển hóa cao (86.9–100%), sản xuất hydrocarbon trong điều kiện êm dịu hơn. Bài báo IV nghiên cứu việc cắt đứt đồng thời C–O và C–C với xúc tác Ru/NbOPO₄ trong các hợp chất mô phỏng lignin. Chuyển hóa thu được hơn 99% với hiệu suất hydrocarbon cao. Hiệu quả của các xúc tác này liên quan đến sự kết hợp giữa các tâm acid Lewis và Brønsted trong niobium phosphate và sự hoạt hóa hydrogen của Ru.

Nghiên cứu này làm màu mỡ thêm hóa học về polymer và xúc tác, cung cấp thêm các giải pháp bền vững cho các thách thức về môi trường và năng lượng thông qua việc tối đa hóa các phụ phẩm sinh khối trong xử lý nước thải và năng lượng tái tạo.