Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Manchester hebben een katalysator ontworpen die biomassa met een opmerkelijk hoog rendement omzet in brandstofbronnen en nieuwe mogelijkheden biedt voor de productie van geavanceerde hernieuwbare materialen.

Neutronenverstrooiingsexperimenten in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy speelden een sleutelrol bij het bepalen van de chemische en gedragsdynamiek van een zeolietkatalysator - zeoliet is een veelgebruikt poreus materiaal dat wordt gebruikt in commerciële katalyse - om informatie te verstrekken voor het maximaliseren van de prestaties.

De geoptimaliseerde katalysator, genaamd NbAlS-1, zet van biomassa afgeleide grondstoffen om in lichte olefinen - een klasse van petrochemicaliën zoals etheen, propeen, en buteen, gebruikt om kunststoffen en vloeibare brandstoffen te maken. De nieuwe katalysator heeft een indrukwekkend rendement van meer dan 99%, maar verbruikt aanzienlijk minder energie dan zijn voorgangers. Het onderzoek van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"De industrie is sterk afhankelijk van het gebruik van lichte olefinen uit ruwe olie, maar hun productie kan negatieve gevolgen hebben voor het milieu, " zei hoofdauteur Longfei Lin van de Universiteit van Manchester. "Vroegere katalysatoren die buteen produceerden uit gezuiverde zuurstofhoudende verbindingen, vereisten veel energie, of extreem hoge temperaturen. Deze nieuwe katalysator zet ruwe zuurstofverbindingen direct om onder veel mildere omstandigheden en met aanzienlijk minder energie en is milieuvriendelijker."

Biomassa is organische stof die kan worden omgezet en gebruikt voor brandstof en grondstof. Het wordt gewoonlijk verkregen uit overgebleven landbouwafval zoals hout, gras, en stro dat wordt afgebroken en in een katalysator wordt gevoerd die het omzet in buteen - een energierijk gas dat door de chemische en aardolie-industrie wordt gebruikt om plastic te maken, polymeren en vloeibare brandstoffen die anders uit olie worden geproduceerd.

Typisch, een chemische reactie vereist een enorme hoeveelheid energie om de sterke bindingen te verbreken die worden gevormd door elementen zoals koolstof, zuurstof, en waterstof. Sommige obligaties moeten mogelijk worden verwarmd tot 1, 000°C (meer dan 1, 800°F) en heter voordat de bindingen worden verbroken.

Voor een groener ontwerp, het team doopte de katalysator door de siliciumatomen van de zeoliet te vervangen door niobium en aluminium. De substitutie creëert een chemisch onevenwichtige toestand die de scheiding van bindingen bevordert en de behoefte aan hoge mate van warmtebehandelingen radicaal vermindert.

"De chemie die plaatsvindt op het oppervlak van een katalysator kan extreem gecompliceerd zijn. Als je niet voorzichtig bent bij het beheersen van zaken als druk, temperatuur, en concentratie, uiteindelijk maak je heel weinig buteen aan, ", zegt ORNL-onderzoeker Yongqiang Cheng. "Om een ​​hoge opbrengst te verkrijgen, je moet het proces optimaliseren, en om het proces te optimaliseren moet je begrijpen hoe het proces werkt."

Neutronen zijn zeer geschikt om dit soort chemische reacties te bestuderen vanwege hun diep doordringende eigenschappen en hun acute gevoeligheid voor lichte elementen zoals waterstof. De VISION-spectrometer bij ORNL's Spallation Neutron Source stelde de onderzoekers in staat om precies te bepalen welke chemische bindingen aanwezig waren en hoe ze zich gedroegen op basis van de vibratiesignaturen van de bindingen. Met die informatie konden ze de chemische volgorde reconstrueren die nodig is om de prestaties van de katalysator te optimaliseren.

"Er is veel vallen en opstaan ​​​​geassocieerd met het ontwerpen van zo'n krachtige katalysator zoals degene die we hebben ontwikkeld, " zei corresponderende auteur Sihai Yang van de Universiteit van Manchester. "Hoe meer we begrijpen hoe katalysatoren werken, hoe meer we het ontwerpproces van materialen van de volgende generatie kunnen begeleiden."

Synchrotron-röntgendiffractiemetingen bij de Britse Diamond Light Source werden gebruikt om de atomaire structuur van de katalysator te bepalen en aanvullende neutronenverstrooiingsmetingen werden uitgevoerd bij de ISIS Neutron and Muon Source van het Rutherford Appleton Laboratory.

Naast Lin, Cheng, en Yang, de lijst met co-auteurs omvat Alena M. Sheveleva, Ivan da Silva, Christopher MA Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Mengtian-fan, Xue Han, Joseph H. Carter, Floriana Tonijn, Eric JL McInnes, Luke L. Daemen, Svemir Rudić, Anibal J. Ramirez-Cuesta, en Chiu C. Tang.