Forskere udvikler katalysatorer til at omdanne ethanol til kemikalier og brændstoffer af høj værdi

Selvom vi normalt tænker på ethanol som brændstof til benzintanken, det kan også omdannes til værdifulde kemikalier, der kan hjælpe med at erstatte en række petroleumsbaserede produkter ud over benzin. Imidlertid, Udvikling af ethanol til en bredere vifte af industrier kræver kemiske processer, der er mere effektive, end hvad der er tilgængeligt i dag.

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har udviklet en ny katalysator, der omdanner ethanol til C5+ ketoner, der kan tjene som byggesten til alt fra opløsningsmidler til jetbrændstof. I et nyt blad, de beskriver denne banebrydende kemi og mekanismen bag den.

One-pot opgradering af ethanol til C5+ ketoner

Katalysatorer er nødvendige for at accelerere kemiske omdannelser, der omdanner ethanol til andre forbindelser. For at være kommercielt levedygtig, en katalysator skal være yderst aktiv, mens den stadig selektivt genererer de ønskede kemiske produkter – med andre ord, det skal pålideligt udskille det nøjagtige materiale, der søges. Forskere søger katalysatorer for ethanol, der effektivt kan udvinde de rigtige forbindelser og gør det gentagne gange. I kemier, der kræver adskillige reaktionstrin i en lang kaskade af kemiske reaktioner mod det endelige slutprodukt, dette kan være en høj ordre.

Katalysatoren udviklet ved PNNL kondenserer flere reaktioner i et enkelt trin. Ethanol møder katalysatoren under høj temperatur (370°C, eller 698°F) og tryk (300 pund pr. kvadrattomme). Det konverteres derefter hurtigt til produkter, der indeholder mere end 70 procent C5+ ketoner. Katalysatoren fremstår også robust, forbliver stabil over 2, 000 timers brug. Slutmålet er at have en katalysator, der kan holde i 2 til 5 år.

For deres forskning, forskerne kombinerede zinkoxid og zirconiumdioxid til katalysatoren. Sådanne blandede oxid-katalysatorer opnår normalt ikke en sådan selektivitet, udskiller for mange uønskede biprodukter i stedet.

Men forskerne tilføjede en anden nøgleingrediens til blandingen:palladium. Under processen, palladium og zink dannede en legering, der opførte sig meget anderledes end dens bestanddele, katalyserer kun de nødvendige reaktionstrin, der fører til dannelsen af ​​C5+ ketoner.

"Det nye er at producere disse ketoner ved at danne legeringen mellem palladium og zink under reaktionen, " sagde Karthi Ramasamy, studie medforfatter og senior forskningsingeniør ved PNNL. "Så mange mellemliggende trin sker alle på denne ene katalysator - hvert trin kræver en anden komponent af katalysatoren for at aktivere den."

En katalysator, fleksibel drift

Katalysatoren kan bruges til at fremstille 2-pentanon og/eller 2-heptanon, som bruges i opløsningsmidler til elektronikindustrien og normalt stammer fra petroleum. C5+ ketoner kan også tjene som mellemprodukter til fremstilling af brændstofblanding, smøremidler, flybrændstof, og dieselbrændstof. At generere sådanne produkter fra vedvarende ethanol frem for fossile ressourcer kan hjælpe med at reducere drivhusgasemissionerne og øge energisikkerheden.

"Denne katalysator er meget fleksibel, " sagde Ramasamy. "Vi kan foretage justeringer af driftsforholdene, såsom temperatur og tryk, for at opnå den ønskede produktsammensætning."

Processen er yderligere detaljeret i papiret "Direct Catalytic Conversion of Ethanol to C5+ Ketones:Role of Pd-Zn Alloy on Catalytic Activity and Stability, " offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .