Door een unieke samenwerking tussen het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en twee consortia van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), is een nieuwe eenfasige katalysator ontwikkeld die de omzetting van hernieuwbare en afvalkoolstof in duurzame dieselbrandstoffen mogelijk maakt. Chemische katalyse voor bio-energie (ChemCatBio) en het initiatief Co-Optimization of Fuels &Engines (Co-Optima).

Onderzoekers gebruikten reductieve veretheringschemie om alcohol- en ketonsubstraten afgeleid van microbiële carbonzuren om te zetten in een etherbioblendstock voor gebruik bij vermenging in conventionele dieselbrandstof. Het eerste in zijn soort continue katalytische proces is ontworpen om de productiekosten te verlagen in vergelijking met batchchemie, de stand der techniek van vroeger. In combinatie met de potentiële infrastructuurcompatibiliteit van de nieuwe brandstof en de verminderde uitstoot van broeikasgassen in vergelijking met fossiele diesel, het vermindert de risico's die inherent zijn aan de introductie van een nieuwe technologie aanzienlijk. Belangrijker, terwijl de vraag naar dieselbrandstof stijgt, deze brandstof kan helpen om op een duurzame manier in die behoefte te voorzien.

Een recent Green Chemistry-artikel over het onderzoek, "Eenfasige katalyse voor reductieve verethering van dieselbioblendstocks, " bouwt voort op eerdere werkzaamheden voor de ontwikkeling van hoogwaardige biodieselbrandstoffen. Afgelopen herfst NREL en Co-Optima hebben een veelbelovende nieuwe bioblendstock geïdentificeerd, 4-butoxyheptaan, die de zuurstof in biomassa gebruikt om een ​​beter presterende dieselbrandstof te creëren. Het reductieve veretheringsproces maakt gebruik van een enkelfasige katalysator om 4-butoxyheptaan efficiënter te produceren.

“Met dit onderzoek we hebben gezocht naar een nieuw conversieproces voor biobrandstoffen dat relevant en toepasbaar is op hernieuwbare en afval-naar-energietechnologie, " legde Derek Vardon uit, een NREL-onderzoeker en een van de auteurs van het artikel.

NREL is een toonaangevende expert in het ontwikkelen van katalytische processen voor hernieuwbare grondstoffen, maar dit project was de eerste keer dat onderzoekers een enkelfasige katalysator hebben geoptimaliseerd om een ​​hernieuwbare brandstof te ontwikkelen door middel van reductieve verethering. Onderzoekers stonden met deze inspanning voor nieuwe uitdagingen, aangezien de katalysator twee gelijktijdige functies moet vervullen, het mengen van een metaalplaats en een zuurplaats in één proces. Een partner uit de commerciële industrie hielp het team met het verkrijgen van de juiste hoeveelheid zuurgraad in de katalysatorondersteuning, terwijl het onderzoeksteam zich tot palladiummetaalnanodeeltjes wendde om de moleculen chemisch aan elkaar te koppelen.

Een veelbelovend kenmerk van de enkelfasige katalysator zijn zijn regeneratieve eigenschappen. Terwijl de proceschemie een schoon brandende biobrandstof oplevert met een lage roetindex, ook opmerkelijk is de stabiliteit van de katalysator in de tijd, zelfs actiever worden wanneer geregenereerd. Hoge stabiliteit is van cruciaal belang voor industriële katalysatoren die jaren mee moeten gaan om economisch en ecologisch duurzaam te zijn.

Onderzoekers blijven dit proces bestuderen en verbeteren. Hoewel palladium effectief is, het is ook duur. Het team onderzoekt de functie van palladium om te bepalen hoeveel van het edelmetaal nodig is. In aanvulling, onderzoekers testen hoe de katalysator presteert met complexere afvalstoffen die naast 4-butoxyheptaan een mengsel van ethers produceren.

"We denken dat we goed begrijpen waarom we de palladiummetaalsites groter moeten maken om de koppelingschemie te accommoderen, Vardon zei. "Onze volgende stap is om samen te werken met Argonne National Laboratory om een ​​atomistische blik te werpen op wat er aan de oppervlakte gebeurt om ons te helpen bij het ontwerpen van de volgende high-performance, goedkoop katalysatormateriaal. Door gebruik te maken van de unieke technische en analysemogelijkheden in het nationale laboratoriumsysteem, we lossen cruciale uitdagingen op om biobrandstoffen vooruit te helpen in de richting van marktacceptatie."