Bedre katalysatorer for en bæredygtig bioøkonomi

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og fra ETH Zürich ønsker at gøre såkaldte zeolitter mere effektive. I dag, disse forbindelser er allerede uundværlige tilsætningsstoffer i den kemiske industri og har været anvendt som katalysatorer i olieraffinaderier siden 1960'erne. Nu, i journalen Naturmaterialer , forskerne går ind for at være mere opmærksom på de klassiske zeolitter. Disse, de hævder, ville endda have potentiale til at muliggøre en bioøkonomi baseret på vedvarende ressourcer.

For at omdanne vores fossile brændstofbaserede økonomi til en bæredygtig bioøkonomi, vi skal erstatte fossile ressourcer med vedvarende råvarer. Men olie, udgangsmaterialet til talrige produkter fra den kemiske industri, kan ikke bare byttes til træ, majs, og halm, da planter består af helt andre slags molekyler end "sort guld". At drive biler og muliggøre produktion af en bred vifte af plast eller medicin, vedvarende råvarer skal først gennemgå en kemisk omdannelse. Her ydes hjælp fra katalysatorer, det er, stoffer, der driver kemiske reaktioner eller muliggør dem i første omgang.

Ekstremt lovende katalysatorer til dette formål er zeolitter, stilladslignende forbindelser fremstillet af aluminium, ilt, og silicium. Zeolitter forekommer naturligt - for eksempel som mineraler i klippeformationer - eller produceres syntetisk. De er blandt de vigtigste katalysatorer i den kemiske industri. Siden 1960’erne har de er blevet brugt i olieraffinaderier til revner, processen med at opdele lange kulbrintkæder i kortere. De bruges også, for eksempel, som ingredienser i vaskemidler, i vandblødgøringsprocesser, og i varmebeholder systemer.

Zeolitter letter overgangen til en bioøkonomi ved at gøre det muligt at konvertere biomasse til molekyler, som industrien desperat har brug for. Men:"På dette tidspunkt, forskning om zeolitter har nået en blindgyde, "siger Vitaly Sushkevich, en forsker i laboratoriet for katalyse og bæredygtig kemi på PSI. Sammen med kolleger på PSI og ETH Zürich, han ønsker at få zeolitforskning ud af denne blindgyde.

Alt aluminium er ikke det samme

Problemet:At udvikle katalysatorer for bioøkonomien, forskere verden over arbejder på zeolitter, der også indeholder tin, titanium, eller zirconiumatomer. Imidlertid, deres ydeevne kan ikke øges yderligere. Derfor anbefaler Sushkevichs team at vende tilbage til de klassiske zeolitter, som kun består af silicium, aluminium, og ilt. "De er meget effektive katalysatorer, "siger Sushkevich." Det særlige er, at de kan ændres og tilpasses efter behov til specifikke formål. Du kan endda katalysere flere kemiske reaktioner efter hinanden. "I dette tilfælde, det ønskede produkt D fremstilles bekvemt ud fra udgangsmaterialet A gennem de mellemliggende trin B og C.

Aluminiumatomer er et vigtigt element i disse zeolitter. Oprindeligt, disse er fast forankret i zeolit ​​-stilladset. Gennem opvarmning og andre tricks, de kan frigives fra denne forbindelse og dermed sættes i stand til at katalysere reaktioner, der er vigtige for bioøkonomien.

Doktorand Manoj Ravi fra ETH Zürich analyserede litteraturen om dette og fandt flere inkonsekvenser. "Den måde, hvorpå aluminiumatomer katalyserer reaktioner, er åbenbart meget mere kompliceret, end man tidligere troede, "siger han. F.eks. ikke alle aluminiumatomer frigives fuldstændigt fra stilladsforbindelsen. I stedet, tre forskellige typer aluminiumatomer sameksisterer i en sådan zeolit:dem, der stadig sidder fast i stilladset, dem, der er delvis løsrevet, og dem, der er helt løsrevne. "Det er vigtigt at skelne disse tre typer fra hinanden og ikke at klumpe dem sammen."

Forstå hvad der sker

PSI syntetiserer også zeolitterne selv og analyserer deres strukturer, for eksempel ved hjælp af den schweiziske lyskilde SLS. "Målinger ved store forskningsfaciliteter og med andre moderne teknologier hjælper os med bedre at forstå strukturen i de vigtige aktive centre, "siger Sushkevich. Aktive centre er lokaliteterne i en katalysator, hvor reaktionen finder sted.

Denne tilgang kunne ikke kun være nyttig ved overgangen til en bioøkonomi, men også ved behandling af klassiske fossile ressourcer, tilføjer kemikeren.

Avisen vil blive offentliggjort den 21. september 2020 i tidsskriftet Naturmaterialer .