Konvertering af biomasse ved at anvende mekanisk kraft

En af de største globale udfordringer er effektiv brug af vedvarende kilder for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter energi og råstoffer i fremtiden. I denne sammenhæng, biomasse er et lovende alternativ til eksisterende fossile kilder som kul eller olie. Cellulose spiller her en afgørende rolle, fordi det står for den største del af den naturlige kulstoflagring. Disse reservoirer er afgørende for produktionen af ​​både brændstoffer og basiskemikalier. For at udnytte sit fulde potentiale, den kædelignende struktur af cellulose skal brydes op. Dette kan gøres ved en såkaldt hydrolysereaktion, hvilken, imidlertid, er vanskelig på grund af cellulosens atomare struktur og har hidtil været meget dyr.

Forskere ved universitetet i Münster (Tyskland) ledet af Dr. Saeed Amirjalayer og prof. Harald Fuchs og universitetet i Bochum med professor Dominik Marx i spidsen er nu lykkedes med at identificere en ny reaktionsmekanisme, hvor cellulose kan omdannes meget effektivt vha. mekanisk kraft. Denne såkaldte mekano-katalytiske reaktion kan føre til udviklingen af ​​en effektiv, miljøvenlig og omkostningseffektiv proces til omdannelse af biomasse. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Baggrundsinformation og metode:

Ved hjælp af en hydrolysereaktion, cellulose rygraden kan opdeles i individuel molekylær byggesten. Disse molekylære byggesten er det egentlige grundlag for at producere brændstoffer eller kemiske råvarer. I deres søgen efter måder at gøre hydrolysereaktionen mere effektiv, forskere har allerede fundet beviser i tidligere undersøgelser for, at mekaniske kræfter kan påvirke konverteringsprocessen.

Hidtil har det ikke været muligt at belyse indflydelsen af ​​mekanisk kraft under hvert enkelt reaktionstrin på atomniveau. Imidlertid, dette niveau af indsigt er nødvendigt for at udvikle en tilsvarende effektiv og ressourceeffektiv proces. I det nu offentliggjorte arbejde, forskerne viser, at brugen af ​​mekanisk kraft på cellulosemolekylerne, over et vist niveau, har en væsentlig indflydelse på reaktionen.

For at gøre det, nanovidenskaberne udførte såkaldt atomistisk modellering. Disse gjorde dem i stand til at følge de enkelte trin i hydrolysereaktionen i detaljer og samtidig anvende en mekanisk kraft på molekylstrukturen. Forskerne beregnede såkaldte energiprofiler, som beskriver energibanen langs reaktionskoordinaten med og uden påvirkning af mekaniske kræfter. Det lykkedes dem at vise, at stress af cellulosens molekylære rygrad havde en stærk indflydelse på hydrolysereaktionen. På den ene side, den nødvendige energi til at aktivere processen blev væsentligt reduceret. På den anden side, en øget mekanisk kraft gjorde endda to af de sædvanlige tre reaktionstrin overflødige. "Ved hjælp af vores atomistiske modeller kunne vi eksplicit undersøge indflydelsen af ​​mekanisk kraft på reaktionsmekanismen", siger ledende forfatter Dr. Saeed Amirjalayer, der arbejder som gruppeleder ved Institut for Fysik ved Münster Universitet og ved Center for Nanoteknologi (CeNTech). "Dette gjorde det muligt for os at belyse en hidtil ukendt og yderst effektiv reaktionsvej til omdannelse af cellulose, " tilføjer han.

De nye resultater bekræfter ikke kun de eksperimentelle observationer, men også vise potentialet til at styre molekylære processer ved hjælp af mekanisk kraft. "Blandt andet, vi var i stand til at vise, at den såkaldte protonaffinitet i cellulose kan øges region-selektivt med mekanisk kraft, " forklarer Saeed Amirjalayer.

Forskerne håber derfor, at dette arbejde ikke kun vil muliggøre en effektiv og miljøvenlig proces til omdannelse af cellulose, men også føre til udviklingen af ​​nye mechano-responsive stoffer, såsom plastik. Disse stoffer kan let genbruges af mekaniske kræfter efter brug.