Neutroner optimerer højeffektiv katalysator for en grønnere tilgang til biobrændstofsyntese

Forskere ledet af University of Manchester har designet en katalysator, der omdanner biomasse til brændstofkilder med bemærkelsesværdig høj effektivitet og giver nye muligheder for at fremstille avancerede vedvarende materialer.

Neutronspredningsforsøg ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory spillede en nøglerolle i at bestemme den kemiske og adfærdsmæssige dynamik af en zeolitkatalysator - zeolit ​​er et almindeligt porøst materiale, der bruges i kommerciel katalyse - for at give information til at maksimere dens ydeevne.

Den optimerede katalysator, kaldet NbAlS-1, omdanner biomasseafledte råmaterialer til lette olefiner - en klasse af petrokemikalier såsom ethen, propen, og buten, bruges til fremstilling af plastik og flydende brændstoffer. Den nye katalysator har et imponerende udbytte på mere end 99%, men kræver væsentligt mindre energi sammenlignet med sine forgængere. Holdets forskning er publiceret i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Industrien er stærkt afhængig af brugen af ​​lette olefiner fra råolie, men deres produktion kan have en negativ indvirkning på miljøet, " sagde hovedforfatter Longfei Lin ved University of Manchester. "Tidligere katalysatorer, der producerede buten fra rensede oxygenerede forbindelser, krævede masser af energi, eller ekstremt høje temperaturer. Denne nye katalysator omdanner direkte rå oxygenerede forbindelser ved hjælp af meget mildere forhold og med betydeligt mindre energi og er mere miljøvenlig."

Biomasse er organisk stof, der kan omdannes og bruges til brændstof og råmateriale. Det er almindeligvis afledt af rester af landbrugsaffald såsom træ, græs, og halm, der bliver nedbrudt og tilført til en katalysator, der omdanner det til buten - en energirig gas, der bruges af den kemiske industri og olieindustrien til at fremstille plastik, polymerer og flydende brændstoffer, der ellers er fremstillet af olie.

Typisk, en kemisk reaktion kræver en enorm mængde energi for at bryde de stærke bindinger dannet af elementer som kulstof, ilt, og hydrogen. Nogle bindinger kræver muligvis opvarmning til 1, 000°C (mere end 1, 800°F) og varmere, før bindingerne brydes.

For et grønnere design, holdet dopede katalysatoren ved at erstatte zeolittens siliciumatomer med niobium og aluminium. Substitutionen skaber en kemisk ubalanceret tilstand, der fremmer adskillelse af bindinger og radikalt reducerer behovet for høje grader af varmebehandlinger.

"Den kemi, der finder sted på overfladen af ​​en katalysator, kan være ekstremt kompliceret. Hvis du ikke er forsigtig med at kontrollere ting som tryk, temperatur, og koncentration, du ender med at lave meget lidt buten, " sagde ORNL-forsker Yongqiang Cheng. "For at opnå et højt udbytte, du skal optimere processen, og for at optimere processen er du nødt til at forstå, hvordan processen fungerer."

Neutroner er velegnede til at studere kemiske reaktioner af denne type på grund af deres dybt gennemtrængende egenskaber og deres akutte følsomhed over for lette elementer som brint. VISION-spektrometeret ved ORNLs Spallation Neutron Source gjorde det muligt for forskerne at bestemme præcist, hvilke kemiske bindinger der var til stede, og hvordan de opførte sig baseret på bindingernes vibrationssignaturer. Denne information gjorde det muligt for dem at rekonstruere den kemiske sekvens, der var nødvendig for at optimere katalysatorens ydeevne.

"Der er mange forsøg og fejl forbundet med at designe en så højtydende katalysator som den, vi har udviklet, " sagde den tilsvarende forfatter Sihai Yang ved University of Manchester. "Jo mere vi forstår, hvordan katalysatorer virker, jo mere kan vi guide designprocessen af ​​næste generations materialer."

Synkrotron røntgendiffraktionsmålinger ved Storbritanniens Diamond Light Source blev brugt til at bestemme katalysatorens atomstruktur, og komplementære neutronspredningsmålinger blev foretaget ved Rutherford Appleton Laboratory's ISIS Neutron and Muon Source.

Ud over Lin, Cheng, og Yang, listen over medforfattere inkluderer Alena M. Sheveleva, Ivan da Silva, Christopher M. A. Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Mengtian fan, Xue Han, Joseph H. Carter, Floriana tun, Eric J.L. McInnes, Luke L. Daemen, Svemir Rudić, Anibal J. Ramirez-Cuesta, og Chiu C. Tang.