Ny sammensat katalysator holder løfte om omkostningseffektiv omdannelse af ethanol til jet-brændstof

Dekarbonisering af lufttransport er afgørende for at opfylde amerikanske klimamål og forbedre landets energiøkonomi. Men teknologier, der transformerer biler - såsom elektriske motorer og brintbrændstoffer - er svære at implementere i fly.

Et batteri, der er stærkt nok til at forsyne et fly, ville være uoverkommeligt tungt. Brint er kun en fjerdedel så energitæt som flybrændstof (og mange gange dyrere), men det kræver store komplekse lagertanke ombord. For i høj grad at reducere sine emissioner, den amerikanske kommercielle luftfartssektor har brug for nye metoder til fremstilling af bæredygtigt luftfartsbrændstof.

Den veletablerede, omkostningskonkurrencedygtigt ethanolmarked giver mulighed for at flytte sammensætningen af ​​flybrændstof og andre brændstofprodukter væk fra olie. Energiministeriets kontor for energieffektivitet og vedvarende energi Kontor for bioenergiteknologier er fokuseret på at udvikle industrielt levedygtige brændstoffer ved hjælp af vedvarende biomasse, herunder national laboratorieindsats for at producere drop-in biobrændstoffer, der er kompatible med nuværende flysystemer.

I det første trin i en ethanol-til-jet-brændstofproces med flere trin udviklet af DOE's Oak Ridge National Laboratory, en katalysator bruges til at omdanne ethanol til butenrig C ₃₊ olefiner, vigtige mellemprodukter, der derefter kan forarbejdes til luftfartsbrændstoffer. Yderligere to trin - oligomerisering og hydrogenbehandling - omdanner disse mellemprodukter til de flydende carbonhydrider, der bruges som brændstoffer.

ORNLs Zhenglong Li ledede et team, der havde til opgave at forbedre den nuværende teknik til konvertering af ethanol til C ₃₊ olefiner og demonstrerede en unik sammensat katalysator, der øger den nuværende praksis og reducerer omkostningerne. Undersøgelsen blev offentliggjort i ACS -katalyse .

Der er to udfordringer, der forhindrer nuværende konverteringsteknikker fra bredere anvendelse:lavt olefinudbytte og høje produktionsomkostninger. Også, nyere tilgange til omdannelse kræver yderligere brint, endnu en omkostningsbyrde. Bundlinjen? Omkostningerne ved at opgradere ethanol skal sænkes dramatisk for at konkurrere med råolie.

Li har en mission om at lave om på standardprocessen, producerer C ₃₊ olefiner med højt udbytte og uden yderligere hydrogen. Når man studerer de mindre reaktioner i spil i dette trin, Li's team nulstillede en potentiel løsning.

"Mens vi tænker på dette som en proces, fra kemisiden, når du zoomer ind, der er flere elementære trin, "sagde han." I det første trin, vi genererer internt brint - kan vi bruge den lave koncentration af brint nedstrøms, hvor det er nødvendigt og undgå at bruge yderligere brint? At gøre dette, vi skal udvikle nye katalysatorer; de nuværende standarder kan ikke foretage denne konvertering ved den påkrævede relative høje temperatur. "

Teamet udviklede og testede en sammensat katalysator-en zink-yttrium-beta-katalysator kombineret med en enkeltatom-legeringskatalysator. ORNL materialeforskere, herunder Li's medforfatter Lawrence Allard, var banebrydende i brugen af ​​enkeltatomkatalysatorer, som blev introduceret i et Nature Chemistry -papir fra 2011.

"Single-atom legeringer bruges til selektiv hydrogenering ved lave temperaturer, men ingen har endnu rapporteret dets anvendelse til denne form for høj temperaturreduktion, "Sagde Li." Vi ved også, at vi let kunne overhydrogenere disse molekyler, som ikke ville kunne bruges. Det kritiske her var at modulere forholdet mellem hydrogen og butadien, der blev genereret under reaktionen. "

Processen var en succes:Den sammensatte katalysator opnåede en ethanol til C ₃₊ olefinreaktion uden eksternt hydrogen og skiftede udbyttet.

"Vi opnår 78% selektivitet ved 94% ethanol -konvertering, den højeste rapporteret blandt litteraturen, "Sagde Li.

Forskningen er den første til at kombinere disse katalysatorer og giver ny grundlæggende forståelse for, hvordan disse materialer fungerer. Li's team vil skubbe teknikken videre.

"Vi vil fortsætte med at optimere denne proces for at opnå endnu større katalysatorselektivitet og højere olefinudbytte, "sagde han." Luftfartsindustrien kræver energitætte flydende kulbrintebrændstoffer. Denne nye katalysatorteknologi er et vigtigt skridt i retning af at opnå vedvarende, bæredygtigt luftfartsbrændstof gennem ethanolkonvertering. "