Brandstof uit afval? Het is mogelijk. Maar tot nu toe, het omzetten van organisch afval in brandstof is economisch niet haalbaar. Er zijn te hoge temperaturen en te veel energie nodig. Met behulp van een nieuw katalysatorconcept, onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) zijn er nu in geslaagd om de temperatuur- en energievereisten van een belangrijke stap in het chemische proces aanzienlijk te verminderen. De truc:de reactie vindt plaats in zeer kleine ruimtes in zeolietkristallen.

Steeds meer elektriciteit wordt decentraal opgewekt met wind, waterkrachtcentrales en zonne-energiecentrales. "Het is dus logisch om de chemische productie te decentraliseren, ook, " denkt prof. Johannes Lercher, die aan het hoofd staat van de leerstoel Technische Chemie II aan de TU München. "Theoretisch, elke gemeente zou zijn eigen brandstof of kunstmest kunnen produceren."

Daten, dit was niet mogelijk omdat chemische processen veel energie vergen - meer dan lokale hernieuwbare energiebronnen kunnen leveren. "We wilden dus nieuwe processen vinden om de basis te leggen voor de gedistribueerde productie van chemicaliën, die kan worden aangedreven met behulp van hernieuwbare energiebronnen, " legt de chemicus uit, die ook directeur is van het American Institute for Integrated Catalysis bij Pacific Northwest National Laboratory.

Zijn team heeft nu voldaan aan één voorwaarde voor een ommekeer in de chemische productie:in het laboratorium, de wetenschappers toonden aan dat de temperatuur die nodig is voor het splitsen van koolstof-zuurstofbindingen in een zure waterige oplossing drastisch kan worden verlaagd met behulp van zeolietkristallen. Het proces verliep ook veel sneller dan zonder de zeolietkatalysatoren.

De natuur als model

De natuur was de referentie voor de ontwikkeling van het nieuwe proces. In biologische systemen, enzymen met kleine zakjes in hun oppervlak versnellen chemische processen.

"We dachten na over hoe we deze biologische functies konden toepassen op organische chemie, " legt Lercher uit. "Bij het zoeken naar geschikte katalysatoren die de reactie versnellen, kwamen we zeolieten tegen - kristallen met kleine holtes waarin de reacties plaatsvinden onder krappe omstandigheden vergelijkbaar met die in enzympockets."

In het nauw gedreven hydroniumionen

Maar, verhogen krappe ruimtes de reactiviteit echt? Om deze vraag te beantwoorden, Het team van Lercher vergeleek de reacties van koolstofverbindingen met zuren in een beker met dezelfde reacties in zeolieten. Het resultaat:in de kristalholtes, waar de reagerende moleculen, bijvoorbeeld alcoholen, ontmoeten op de hydroniumionen van de zuren, reacties verlopen tot 100 keer sneller en bij temperaturen net boven de 100 °C.

"Onze experimenten tonen aan dat zeolieten als katalysatoren even effectief zijn als enzymen:beide verminderen de energieniveaus die nodig zijn voor de reacties aanzienlijk, " meldt Lercher. "Hoe kleiner de holte, hoe groter het katalytische effect. De beste resultaten behaalden we met diameters ver onder de één nanometer."

gekko's, was en zeolieten

Maar waarom bevorderen krappe ruimtes de reactiviteit van moleculen? "De kracht die het reactiepad verbetert, is dezelfde als die waardoor was aan een tafelblad blijft kleven en waardoor gekko's op plafonds kunnen lopen, " antwoordt Lercher. "Hoe meer contactpunten er zijn tussen twee oppervlakken, hoe groter de hechting. In onze experimenten, de organische moleculen, die zich in een waterige oplossing bevinden, worden letterlijk aangetrokken door de poriën in de zeolieten."

Dus, de hydroniumionen in de holtes hebben een aanzienlijk grotere kans om tegen een reactiepartner te botsen dan die daarbuiten. Het resultaat is een door zuur gekatalyseerde chemische reactie die sneller en met een lagere energie-input plaatsvindt.

Van afval tot brandstof

Wanneer ze in contact komen met hydroniumionen, organische moleculen zoals alcoholen verliezen zuurstof. Dit maakt het proces geschikt om uit organisch afval gewonnen bio-olie om te zetten in brandstof.

Het zal enige tijd duren, natuurlijk, voordat het nieuwe proces in het veld kan worden ingezet. "We werken nog steeds aan de basis, " benadrukt Lercher. "We hopen deze te gebruiken om de voorwaarden te creëren die nodig zijn voor nieuwe, decentrale chemische productieprocessen waarvoor geen grootschalige faciliteiten meer nodig zijn.”