Een van de grootste wereldwijde uitdagingen is het efficiënte gebruik van hernieuwbare bronnen om in de toekomst te kunnen voldoen aan de toenemende vraag naar energie en chemische grondstoffen. In deze context, biomassa is een kansrijk alternatief voor bestaande fossiele bronnen zoals kolen of olie. Cellulose speelt hierbij een beslissende rol, omdat het verantwoordelijk is voor het grootste deel van de natuurlijke koolstofopslag. Deze reservoirs zijn cruciaal voor de productie van zowel brandstoffen als basischemicaliën. Om het volledige potentieel te benutten, de ketenachtige structuur van cellulose moet worden verbroken. Dit kan door een zogenaamde hydrolysereactie, die, echter, is moeilijk vanwege de atomaire structuur van cellulose en is tot nu toe erg duur geweest.

Onderzoekers van de Universiteit van Münster (Duitsland) onder leiding van Dr. Saeed Amirjalayer en Prof. Harald Fuchs en en van de Universiteit van Bochum onder leiding van Prof. Dominik Marx zijn er nu in geslaagd een nieuw reactiemechanisme te identificeren waarbij cellulose zeer efficiënt kan worden omgezet met behulp van mechanische kracht. Deze zogenaamde mechano-katalytische reactie zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een efficiënte, milieuvriendelijk en kosteneffectief proces voor de omzetting van biomassa. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

Achtergrondinformatie en Werkwijze:

Met behulp van een hydrolysereactie, de celluloseruggengraat kan worden opgesplitst in individuele moleculaire bouwstenen. Deze moleculaire bouwstenen vormen de eigenlijke basis voor de productie van brandstoffen of chemische grondstoffen. In hun zoektocht naar manieren om de hydrolysereactie efficiënter te maken, onderzoekers hebben in eerdere studies al bewijs gevonden dat mechanische krachten het conversieproces kunnen beïnvloeden.

Tot nu toe was het niet mogelijk om de invloed van mechanische kracht tijdens elke afzonderlijke reactiestap op atomair niveau te verklaren. Echter, dit niveau van inzicht is nodig om een ​​overeenkomstig efficiënt en hulpbronnenefficiënt proces te ontwikkelen. In het nu gepubliceerde werk, laten de wetenschappers zien dat het gebruik van mechanische kracht op de cellulosemoleculen, boven een bepaald niveau, heeft een grote invloed op de reactie.

Om dit te doen, de nanowetenschappers voerden zogenaamde atomistische modellering uit. Hierdoor konden ze de afzonderlijke stappen van de hydrolysereactie in detail volgen en tegelijkertijd een mechanische kracht uitoefenen op de moleculaire structuur. De onderzoekers berekenden zogenaamde energieprofielen, die de energieweg langs de reactiecoördinaat beschrijven met en zonder de invloed van mechanische krachten. Wat ze wel wisten aan te tonen is dat het benadrukken van de moleculaire ruggengraat van de cellulose een sterke invloed had op de hydrolysereactie. Aan de ene kant, de energie die nodig is om het proces te activeren werd aanzienlijk verminderd. Anderzijds, een verhoogde mechanische kracht maakte zelfs twee van de gebruikelijke drie reactiestappen overbodig. "Door middel van onze atomistische modellen konden we expliciet de invloed van mechanische kracht op het reactiemechanisme onderzoeken", zegt hoofdauteur Dr. Saeed Amirjalayer, die als groepsleider werkt bij het Institute of Physics van de Universiteit van Münster en bij het Center for Nanotechnology (CeNTech). "Dit stelde ons in staat om een ​​voorheen onbekende en zeer efficiënte reactieroute voor de omzetting van cellulose op te helderen, " hij voegt toe.

De nieuwe resultaten bevestigen niet alleen de experimentele waarnemingen, maar tonen ook het potentieel om moleculaire processen te beheersen met behulp van mechanische kracht. "Onder andere, we konden aantonen dat de zogenaamde protonaffiniteit in cellulose regioselectief kan worden verhoogd door mechanische kracht, " legt Saeed Amirjalayer uit.

De wetenschappers hopen dan ook dat dit werk niet alleen een efficiënt en milieuvriendelijk proces mogelijk zal maken voor de omzetting van cellulose, maar ook leiden tot de ontwikkeling van nieuwe mechanisch reagerende stoffen, zoals kunststoffen. Deze stoffen kunnen na gebruik gemakkelijk worden gerecycled door mechanische krachten.