En ny katalysator for ethanol fremstillet af biomasse

Forskere i det nordvestlige Stillehav har udviklet et nyt katalysatormateriale, der kan erstatte kemikalier, der i øjeblikket stammer fra olie og være grundlaget for mere miljøvenlige produkter, herunder oktan-forstærkende gas- og brændstoftilsætningsstoffer, biobaseret gummi til dæk og et sikrere opløsningsmiddel til den kemiske industri.

At lave bæredygtige biobrændstoffer, producenter ønsker at fermentere ethanol fra nonfood plantemateriale såsom majsstængler og ukrudt. I øjeblikket, såkaldt bio-ethanols hovedværdier er som en ikke-forurenende erstatning for oktanforstærkende brændstoftilsætningsstoffer for at forhindre motorbankning og som en vedvarende erstatning for en vis procentdel af benzinen. For at gøre bio-ethanol til andre nyttige produkter, forskere ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory og ved Washington State University har udviklet et nyt katalysatormateriale, der vil omdanne det til et kemikalie kaldet isobuten. Og det kan gøre det i ét produktionstrin, som kan reducere omkostningerne.

Rapporteret af forskere i Institute for Integrated Catalysis ved PNNL og i Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering ved WSU, resultaterne dukkede op den 21. juli i Journal of the American Chemical Society .

"Isobuten er et alsidigt kemikalie, der kan udvide anvendelsesområdet for bæredygtigt produceret bio-ethanol, " sagde kemiingeniør Yong Wang, som har en fælles aftale hos PNNL i Richland, Wash. og på WSU i Pullman, Vask., og leder forskningsindsatsen ved begge institutioner.

Ud over, denne katalysator kræver tilstedeværelsen af ​​vand, giver producenterne mulighed for at bruge fortyndet og billigere bioethanol i stedet for at skulle rense det først, potentielt holde omkostningerne lavere og produktionstiden hurtigere.

Ingen Z-Z-Z for de trætte

En vigtig nøgle til at frigøre vedvarende energi til erstatning for fossile brændstoffer er katalysatoren. En katalysator er et stof, der fremmer kemiske reaktioner af interesse. Katalysatoren i en bil, for eksempel, fremskynder kemiske reaktioner, der nedbryder forurenende gasser, rensning af et køretøjs udstødning.

PNNL- og WSU-forskerne forsøgte at lave brintbrændstof fra ethanol. For at forbedre en konventionel katalysator, de havde taget zinkoxid og zirconiumoxid og kombineret begge til et nyt materiale kaldet et blandet oxid - zink- og zirconiumatomerne vævet gennem en krystal af oxygenatomer. Afprøvning af det blandede oxid, PNNL postdoc-forsker Junming Sun så ikke kun brint, men - uventet - en hel del isobuten (EYE-SO-BEW-TEEN).

Brint er fantastisk, men isobuten er bedre. Kemikere kan lave dækgummi af det eller et sikrere opløsningsmiddel, der kan erstatte giftige til rengøring eller industriel brug. Isobuten kan også let omdannes til jetbrændstof og benzintilsætningsstoffer, der er højere end oktantallet - den værdi, der er angivet på benzinpumper, der forhindrer en motor i at banke - såsom ETBE.

Solen skinner

Ingen havde nogensinde set en katalysator skabe isobuten fra ethanol i en et-trins kemisk reaktion før, så forskerne indså, at en sådan katalysator kunne være vigtig for at reducere omkostningerne til biobrændstoffer og vedvarende kemikalier.

Undersøgelse af katalysatoren i større dybde, forskerne undersøgte, hvad der skete, når de brugte forskellige mængder zink og zirconium. De viste, at en katalysator fremstillet af zinkoxid for det meste omdannede ethanolen til acetone, en ingrediens i neglelakfjerner. Hvis katalysatoren kun indeholdt zirconiumoxid, det omdannede hovedsageligt ethanol til ethylen, et kemikalie fremstillet af planter, der modner frugt.

Men isobuten? Det opstod kun i brugbare mængder, når katalysatoren indeholdt både zink og zirconium. Og "nyttige mængder" betyder "meget". Med et forhold på 1:10 mellem zink og zirconium, den blandede oxidkatalysator kunne omdanne mere end 83 procent af ethanolen til isobuten.

"Vi fik konsekvent 83 procent udbytte med forbedret katalysatorlevetid, " sagde Wang. "Vi var glade for at se det meget høje udbytte."

Reaktionær indsigt

Forskerne analyserede kemien for at finde ud af, hvad der skete. I eksperimenterne med enkeltmetaloxider, zinkoxidet skabte acetone, mens zirconiumoxidet skabte ethylen. Den nemmeste måde at komme til isobuten derfra, teoretisk set, er at omdanne acetone til isobuten, hvilket zirconiumoxid normalt er i stand til. Og vejen fra ethanol til isobuten kunne kun være så produktiv, som Sun fandt, hvis zirconiumoxid ikke blev sidesporet og forvandlede ethanol til ethylen undervejs.

Noget om det blandede oxid, derefter, forhindrede zirconiumoxid i at omdanne ethanol til den uønskede ethylen. Holdet begrundede, at isobuten sandsynligvis opstod fra zinkoxid, der omdannede ethanol til acetone, derefter zirconiumoxid - påvirket af den nærliggende zinkoxid - omdanner acetone til isobuten. På samme tid, zinkoxidets indflydelse forhindrede ethanol-til-ethylen-omdannelsen med zirconiumoxid. Selvom det er to reaktionstrin for katalysatoren, det er kun en for kemikerne, da de kun skulle putte katalysatoren i med ethanol og vand én gang.

For at få en idé om, hvor tæt reaktionerne skulle ske på hinanden, for at isobuten kunne dukke op, holdet kombinerede pulveriseret zinkoxid og pulveriseret zirconiumoxid. Dette adskilte sig fra det blandede oxid ved, at zink- og zirconiumatomerne ikke var inkorporeret i de samme katalysatorpartikler. Disse blandede pulvere forvandlede ethanol primært til acetone og ethylen, med nogle mængder af andre molekyler og mindre end 3 procent isobuten, hvilket indikerer, at katalysatorens magi kom fra mikrostrukturen af ​​det blandede oxidmateriale.

Balanceloven

Så, forskerne udforskede mikrostrukturen ved hjælp af instrumenter og ekspertise på EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus. Ved hjælp af kraftfulde værktøjer kaldet transmissionselektronmikroskoper, holdet så, at den blandede oxidkatalysator bestod af krystallinske partikler på nanometerstørrelse.

Et nærmere kig på de bedst ydende katalysatorer afslørede zinkoxid fordelt jævnt over områder med zirconiumoxid. Den dårligst ydende katalysator - med et forhold på 1:1 zink til zirconium - afslørede områder med zinkoxid og områder med zirconiumoxid. Dette foreslog holdet, at de to metaller skulle være tæt på hinanden for hurtigt at vende acetonen til isobuten.

Eksperimentelle resultater fra andre analytiske metoder indikerede, at holdet kunne optimere typen af ​​kemiske reaktioner, der fører til isobuten og også forhindre, at katalysatoren deaktiveres på samme tid. Den elegante balance mellem sure og basiske steder på de blandede oxider reducerede betydeligt kulstof fra at opbygge og ødelægge katalysatorerne, hvilket forkorter deres levetid.

Fremtidigt arbejde vil undersøge optimeringer for yderligere at forbedre udbyttet og katalysatorens levetid. Wang og kolleger vil også gerne se, om de kan kombinere denne isobutenkatalysator med andre katalysatorer for at producere forskellige kemikalier i one-pot-reaktioner.