Katalyserer omdannelsen af ​​biomasse til biobrændstof

Zeolitter er ekstremt porøse materialer:Ti gram kan have et indre overfladeareal på størrelse med en fodboldbane. Deres hulrum gør dem nyttige til at katalysere kemiske reaktioner og dermed spare energi. Et internationalt forskerhold har nu gjort nye fund vedrørende vandmolekylers rolle i disse processer. En vigtig anvendelse er omdannelse af biomasse til biobrændstof.

Brændstof fremstillet af biomasse anses for at være klimaneutralt, selvom der stadig er brug for energi til at producere den:De ønskede kemiske reaktioner kræver høje temperaturer og tryk.

"Hvis vi skal undvære fossile energikilder i fremtiden og gøre effektiv stor anvendelse af biomasse, vi bliver også nødt til at finde måder at reducere den energi, der kræves til behandling af biomassen, "siger Johannes Lercher, professor for kemisk teknologi ved det tekniske universitet i München (TUM) og direktør for Institute for Integrated Catalysis ved Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington (USA).

Arbejder sammen med et internationalt forskerhold, Lercher har set nærmere på vandmolekylers rolle i reaktioner inde i zeolitens porer, som er mindre end en nanometer i størrelse.

Det hele starter med syrer

Et kendetegn ved en syre er, at den let donerer protoner. Dermed, når det tilsættes vand, saltsyre deler sig i negativt ladede chloridanioner, som dem, der findes i bordsaltkrystaller, og positivt ladede protoner, der knytter sig til vandmolekylerne. Dette resulterer i en positivt ladet hydroniumion, som ser ud til at viderebringe denne proton, for eksempel til et organisk molekyle.

Når det organiske molekyle er "tvunget" til at acceptere en proton, den forsøger at stabilisere sig selv. Dermed, en alkohol kan give anledning til et molekyle med en dobbeltbinding - et typisk reaktionstrin på vejen fra biomasse til biobrændstof. Zeolitvæggene stabiliserer overgangstilstande, der opstår under konvertering, og dermed, hjælpe med at minimere mængden af ​​energi, som reaktionen kræver.

Zeolitter fungerer som syrer

Zeolitter indeholder oxygenatomer i deres krystalstruktur, der allerede bærer en proton. Ligesom molekylære syrer danner de hydroniumioner gennem interaktionerne med vand.

Imidlertid, mens hydroniumioner spredes i vand, de forbliver tæt forbundet med zeolitten. Kemisk forbehandling kan variere antallet af disse aktive centre og, dermed, etablere en vis densitet af hydroniumioner i zeolitens porer.

Den ideelle zeolit ​​til enhver reaktion

Ved systematisk at variere hulrummets størrelse, tætheden af ​​de aktive steder og mængden af ​​vand forskergruppen var i stand til at belyse porestørrelser og koncentrationer af vand, som bedst katalyserede udvalgte eksempelreaktioner.

"Generelt, det er muligt at øge reaktionshastigheden ved at gøre porerne mindre og øge ladningstætheden, "Johannes Lercher forklarer." Dog, denne stigning har sine grænser:Når tingene bliver for overfyldte, og afgifterne er for tæt på hinanden, reaktionshastigheden falder igen. Dette gør det muligt at finde de optimale betingelser for hver reaktion. "

"Zeolitter er generelt egnede som nanoreaktorer til alle kemiske reaktioner, hvis reaktionspartnere passer ind i porerne, og hvor en syre bruges som katalysator, "understreger Lercher." Vi er i begyndelsen af ​​en udvikling med potentiale til at øge reaktiviteten af ​​molekyler selv ved lave temperaturer og, dermed, at spare betydelige mængder energi i produktionen af ​​brændstoffer eller kemikalier. "