Brændstof og kemikalier fra planteaffald

Fra det uudtømmelige råmateriale lignin, som som en bestanddel af mange planter akkumuleres i store mængder, brændstoffer og andre vigtige stoffer kunne i teorien udvindes til industrien – indtil videre, selvom, det kan ikke gøres effektivt nok. Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og ETH Zürich har nu fundet en metode til at identificere hidtil usete mellemprodukter af de katalytiske reaktioner, der er brugt til denne omdannelse. Dette kan muliggøre mere målrettet forbedring af produktionsmetoderne i fremtiden. Undersøgelsen vises i det seneste nummer af tidsskriftet Naturkommunikation .

Hvor praktisk og miljøvenligt det ville være, hvis brændstof blot kunne fremstilles af planteaffald. Eller phenoler, som der er et presserende behov for i plastindustrien. Hvad hvis vi simpelthen kunne få grundlæggende råmaterialer fra vores civilisation fra noget naturen producerer i overflod år efter år, som vi ellers lader rådne?

Lignin forekommer for eksempel i alle træagtige planter og er, med omkring 20 milliarder tons produceret hvert år, det mest almindelige organiske stof på Jorden foruden cellulose og kitin. Den består hovedsageligt af kulstof, brint, og oxygen i et stort og meget komplekst molekyle, som er sammensat af mindre forbindelser som dem, der er nødvendige til fremstilling af brændstof og phenoler.

Et stort skridt i retning af at forstå mekanismen

Teoretisk set, disse forbindelser kan opnås fra lignin gennem krakning. Kemisk, imidlertid, dette er ekstremt kompliceret og dyrt. Den nederste linje:Indtil nu, det betaler sig bare ikke. Dette kan dog ændre sig, takket være mere sofistikerede metoder. Og forskere i Schweiz, ved Paul Scherrer Institute PSI i Villigen og ved ETH Zürich, har taget et stort skridt i retning af at forstå mekanismen bag reaktioner, der kan føre til de ønskede kemikalier. I denne metode, det store ligninmolekyle – som model, forskerne brugte lignin-byggestenen guaiacol (en del af det større molekyle) – spaltes i endnu mindre molekyler ved omkring 400 grader i et iltfrit miljø. At gøre dette, der anvendes en katalysator - et materiale, der fremskynder reaktionen uden at blive forbrugt. I dette tilfælde, forskerne bruger en zeolit, et materiale med mange porer og dermed et stort overfladeareal, hvor reaktionen kan forekomme.

Først, såkaldte mellemprodukter opstår i kun brøkdele af et sekund – gasformige reaktive stoffer, der umiddelbart reagerer med vand og oxygen og danner phenoler og andre stabile slutprodukter. Disse mellemprodukter kan ikke observeres med konventionelle metoder, siger Patrick Hemberger, beamline videnskabsmand ved PSI's Swiss Light Source SLS. Først og fremmest, du kan næsten ikke skelne dem fra hinanden, fordi deres molekyler ofte består af de samme atomer, bare arrangeret anderledes. Men hvis vi kunne bestemme disse mellemprodukter og deres koncentrationer, så ville det også være muligt at ændre processen på en sådan måde, at bestemte mellemprodukter fortrinsvis genereres og, til sidst, udbyttet af det ønskede produkt øges.

Synkrotronlys gør det usete synligt

Da molekylerne vejer det samme, de kan ikke skelnes med et massespektrometer, som sorterer stoffer ud fra deres vægt. Ved hjælp af såkaldt vakuum ultraviolet synkrotronstråling og en kombination af massespektrometri og fotoelektronspektroskopi, som er tilgængelig for os på SLS, vi var i stand til at gøre det, Det fortæller Hemberger. Det betyder:De specielle lysstråler, som SLS genererer, slår elektroner ud af molekylerne, og disse observeres derefter med særlige metoder. De observerede egenskaber af disse elektroner er som et fingeraftryk, og de er unikke for hvert stof.

Indtil nu, sådanne katalytiske processer er blevet kørt på det, kemikeren kalder en cook and look-tilgang:en trial and error-søgning - med variationer for eksempel i temperatur, katalysator, og koncentration af molekylerne – for at finde ud af, hvilken forsøgsopstilling, der giver mest af det ønskede produkt. Med tilgangen udviklet af Patrick Hemberger, vi kan nu for første gang optrevle de komplekse reaktionsmekanismer, siger medforfatter Jeroen van Bokhoven, leder af Laboratory for Catalysis and Sustainable Chemistry ved PSI og professor i heterogen katalyse ved ETH Zürich. Og dermed kan vi nu udvikle nye, bedre, og mere miljøvenlige produktionsprocesser på en mere målrettet måde, tilføjer Victoria Custodis, den anden medforfatter. Oven i købet, de forventer også, at tilgangen kan overføres til adskillige andre katalytiske processer.