Zeolitkatalysatorer baner vejen til decentrale kemiske processer

Brændstof fra affald? Det er muligt. Men hidtil har at omdanne organisk affald til brændstof har ikke været økonomisk rentabelt. Der kræves for høje temperaturer og for meget energi. Ved at bruge et nyt katalysatorkoncept, forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har nu formået at reducere temperatur- og energikravene i et nøgletrin i den kemiske proces markant. Tricket:Reaktionen foregår i meget begrænsede rum inde i zeolitkrystaller.

Stadig mere elektricitet produceres decentralt ved hjælp af vind, vand- og solenergianlæg. "Det giver derfor mening at decentralisere kemisk produktion, såvel, " tænker prof. Johannes Lercher, der leder formanden for teknisk kemi II ved TU München. "Teoretisk set, enhver kommune kunne producere sit eget brændstof eller gødning."

Til dato, dette har ikke været muligt, fordi kemiske processer kræver meget energi - mere end lokale vedvarende energikilder kan levere. "Vi sigtede derfor på at finde nye processer til at lægge grundlaget for distribueret produktion af kemikalier, som kan drives ved hjælp af vedvarende energikilder, " forklarer kemikeren, som også er direktør for American Institute for Integrated Catalysis ved Pacific Northwest National Laboratory.

Hans team har nu opfyldt en forudsætning for en vending i kemisk produktion:I laboratoriet, forskerne påviste, at den temperatur, der kræves for at spalte carbon-oxygen-bindinger i sur vandig opløsning, kan reduceres drastisk ved hjælp af zeolitkrystaller. Processen kørte også meget hurtigere end uden zeolitkatalysatorerne.

Naturen som model

Naturen var referencen for udviklingen af ​​den nye proces. I biologiske systemer, enzymer med små lommer i deres overflade accelererer kemiske processer.

"Vi tænkte på, hvordan vi kunne anvende disse biologiske funktioner til organisk kemi, " forklarer Lercher. "Mens man leder efter egnede katalysatorer, der accelererer reaktionen, vi faldt over zeolitter - krystaller med små hulrum, hvori reaktionerne finder sted under trange forhold, der kan sammenlignes med dem i enzymlommer."

Hjørnede hydroniumioner

Men, øger trange kvarterer virkelig reaktiviteten? For at besvare dette spørgsmål, Lerchers team sammenlignede reaktionerne af kulstofforbindelser med syrer i et bægerglas med de samme reaktioner i zeolitter. Resultatet:I krystalhulrummene, hvor de reagerende molekyler, for eksempel alkohol, mødes på syrernes hydroniumioner, reaktioner løber op til 100 gange hurtigere og ved temperaturer lige over 100 °C.

"Vores eksperimenter viser, at zeolitter som katalysatorer er lige så effektive som enzymer:Begge reducerer betydeligt de energiniveauer, der kræves af reaktionerne, " rapporterer Lercher. "Jo mindre hulrummet er, jo større er den katalytiske effekt. Vi opnåede de bedste resultater med diametre langt under en nanometer."

gekkoer, voks og zeolitter

Men hvorfor fremmer snævre rum molekylers reaktivitet? "Den kraft, der forbedrer reaktionsvejen, er den samme som den, der får voks til at klæbe til en bordplade, og som tillader gekkoer at gå på lofter, " svarer Lercher. "Jo flere kontaktpunkter der er mellem to overflader, jo større vedhæftning. I vores eksperimenter, de organiske molekyler, som er i en vandig opløsning, er bogstaveligt talt tiltrukket af porerne i zeolitterne."

Dermed, hydroniumionerne inde i hulrummene har en væsentlig større sandsynlighed for at støde ind i en reaktionspartner end dem udenfor. Resultatet er en syrekatalyseret kemisk reaktion, der finder sted hurtigere og med lavere energitilførsel.

Fra affald til brændstof

Når de kommer i kontakt med hydroniumioner, organiske molekyler såsom alkoholer mister ilt. Dette gør processen velegnet til at omdanne bioolie fra organisk affald til brændstof.

Det vil tage noget tid, selvfølgelig, før den nye proces kan implementeres i marken. "Vi arbejder stadig på det grundlæggende, " understreger Lercher. "Vi håber at kunne bruge disse til at skabe de nødvendige forudsætninger for nye, decentrale kemiske produktionsprocesser, der ikke længere kræver store faciliteter."