Synthetisch rubber en kunststoffen - gebruikt voor de productie van banden, speelgoed en talloze andere producten - worden gemaakt van butadieen, een molecuul traditioneel gemaakt van aardolie of aardgas. Maar die door de mens gemaakte materialen kunnen binnenkort een stuk groener worden, dankzij de vindingrijkheid van een team van wetenschappers van drie Amerikaanse onderzoeksuniversiteiten.

Het wetenschappelijke team - van de Universiteit van Delaware, de Universiteit van Minnesota en de Universiteit van Massachusetts - heeft een proces uitgevonden om butadieen te maken uit hernieuwbare bronnen zoals bomen, grassen en maïs.

De bevindingen, nu online, zal worden gepubliceerd in de American Chemical Society's ACS Duurzame Chemie en Engineering , een toonaangevend tijdschrift in groene chemie en techniek. De auteurs van de studie zijn allemaal verbonden aan het Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), gevestigd aan de Universiteit van Delaware. CCEI is een Energy Frontier Research Center dat wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Ons team combineerde een katalysator die we onlangs hebben ontdekt met nieuwe en opwindende chemie om de eerste high-yield, goedkope productiemethode voor butadieen, " zegt CCEI-directeur Dionisios Vlachos, de Allan en Myra Ferguson hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de UD en een co-auteur van de studie. "Dit onderzoek zou de kunststof- en rubberindustrie van miljarden dollars kunnen transformeren."

Butadieen is de belangrijkste chemische component in een breed scala aan materialen die in de samenleving worden aangetroffen. Wanneer dit molecuul met vier koolstofatomen een chemische reactie ondergaat om lange ketens te vormen die polymeren worden genoemd, styreen-butadieenrubber (SBR) wordt gevormd, die wordt gebruikt om slijtvaste autobanden te maken. Wanneer gemengd om nitrilbutadieenrubber (NBR) te maken, het wordt het belangrijkste onderdeel van slangen, zeehonden en de rubberen handschoenen die alomtegenwoordig zijn in medische omgevingen.

In de wereld van kunststoffen butadieen is de belangrijkste chemische component in acrylonitril-butadieen-styreen (ABS), een hard plastic dat in stijve vormen kan worden gegoten. Stevig ABS-plastic wordt gebruikt om consoles voor videogames te maken, auto-onderdelen, sportartikelen, medische hulpmiddelen en in elkaar grijpende plastic speelgoedblokjes, onder andere producten.

De afgelopen 10 jaar is er een verschuiving opgetreden in de richting van een academische onderzoeksfocus op hernieuwbare chemicaliën en butadieen, vooral, vanwege het belang ervan in commerciële producten, zegt Vlachos.

"Het succes van ons team kwam voort uit onze filosofie die onderzoek naar nieuwe katalytische materialen verbindt met een nieuwe benadering van de chemie, ", zegt Vlachos. "Dit is een geweldig voorbeeld waarbij het onderzoeksteam groter was dan de som der delen."

Nieuwe chemie in drie stappen

De nieuwe chemie omvatte een proces in drie stappen uitgaande van van biomassa afgeleide suikers. Met behulp van technologie ontwikkeld binnen CCEI, het team zette suikers om in een ringverbinding genaamd furfural. In de tweede stap, het team verwerkte furfural verder tot een andere ringverbinding genaamd tetrahydrofuran (THF).

Het was in de derde stap dat het team de baanbrekende chemische productietechnologie ontdekte. Met behulp van een nieuwe katalysator genaamd "fosforhoudende all-silica zeoliet, "ontwikkeld in het centrum, het team was in staat om THF om te zetten in butadieen met een hoge opbrengst (meer dan 95 procent).

Het team noemde dit nieuw, selectieve reactie "dehydra-decyclisatie" om het vermogen ervan weer te geven om tegelijkertijd water en ringverbindingen tegelijk te verwijderen.

"We ontdekten dat op fosfor gebaseerde katalysatoren ondersteund door silica en zeolieten een hoge selectiviteit vertonen voor de productie van chemicaliën zoals butadieen, " zegt Prof. Wei Fan van de Universiteit van Massachusetts Amherst. "Als we hun vermogen om bepaalde industriële chemische toepassingen te controleren, vergelijken met die van andere katalysatoren, de fosformaterialen lijken echt uniek en vormen een mooie aanvulling op de reeks katalysatoren die we bij CCEI hebben ontwikkeld."

De uitvinding van hernieuwbaar rubber maakt deel uit van de grotere missie van CCEI. Gestart in 2009, CCEI heeft zich gericht op transformationele katalytische technologie om hernieuwbare chemicaliën en biobrandstoffen te produceren uit natuurlijke biomassabronnen.

"Deze nieuwere technologie breidt het aantal moleculen dat we kunnen maken van lignocellulose aanzienlijk uit, " zegt Prof. Paul Dauenhauer van de Universiteit van Minnesota, die co-directeur is van CCEI en co-auteur van de studie.