Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en van ETH Zürich willen zogenaamde zeolieten efficiënter maken. Vandaag, deze verbindingen zijn al onmisbare additieven in de chemische industrie en worden sinds de jaren zestig gebruikt als katalysatoren in olieraffinaderijen. Nutsvoorzieningen, in het journaal Natuurmaterialen , de onderzoekers pleiten voor meer aandacht voor de klassieke zeolieten. Deze, zij beweren, zou zelfs het potentieel hebben om een ​​bio-economie op basis van hernieuwbare bronnen mogelijk te maken.

Om onze op fossiele brandstoffen gebaseerde economie om te vormen tot een duurzame bio-economie, we moeten fossiele hulpbronnen vervangen door hernieuwbare grondstoffen. Maar aardolie, het uitgangsmateriaal voor tal van producten van de chemische industrie, niet zomaar in te ruilen voor hout, maïs, en stro, omdat planten uit totaal andere soorten moleculen bestaan ​​dan 'zwart goud'. Om auto's aan te drijven en de productie van een breed scala aan kunststoffen of medicijnen mogelijk te maken, hernieuwbare grondstoffen moeten eerst een chemische omzetting ondergaan. Hierbij wordt hulp geboden door katalysatoren, dat is, stoffen die chemische reacties veroorzaken of mogelijk maken.

Zeer veelbelovende katalysatoren voor dit doel zijn zeolieten, steigerachtige verbindingen van aluminium, zuurstof, en silicium. Zeolieten komen van nature voor, bijvoorbeeld als mineralen in rotsformaties, of worden synthetisch geproduceerd. Ze behoren tot de belangrijkste katalysatoren in de chemische industrie. Sinds de jaren zestig, ze zijn gebruikt in olieraffinaderijen om te kraken, het proces van het splitsen van lange koolwaterstofketens in kortere. Ze worden ook gebruikt, bijvoorbeeld, als ingrediënten in wasmiddelen, bij wateronthardingsprocessen, en in warmtereservoirsystemen.

Zeolieten vergemakkelijken de transitie naar een bio-economie door het mogelijk te maken biomassa om te zetten in moleculen die de industrie hard nodig heeft. Echter:"Op dit moment onderzoek naar zeolieten is op een dood spoor beland, " zegt Vitaly Sushkevich, een wetenschapper in het Laboratorium voor Katalyse en Duurzame Chemie bij PSI. Samen met collega's van PSI en ETH Zürich, hij wil zeolietonderzoek uit deze doodlopende weg halen.

Alle aluminium is niet hetzelfde

Het probleem:om katalysatoren voor de bio-economie te ontwikkelen, onderzoekers wereldwijd werken aan zeolieten die ook tin bevatten, titanium, of zirkoniumatomen. Echter, hun prestaties kunnen niet verder worden verhoogd. Daarom raadt het team van Sushkevich aan om terug te keren naar de klassieke zeolieten, die alleen uit silicium bestaan, aluminium, en zuurstof. "Het zijn zeer efficiënte katalysatoren, ", zegt Sushkevich. "Het bijzondere is dat ze naar behoefte kunnen worden aangepast en aangepast voor specifieke doeleinden. Je kunt zelfs meerdere chemische reacties na elkaar katalyseren." In dit geval het gewenste product D wordt gemakkelijk gemaakt van het uitgangsmateriaal A via de tussenstappen B en C.

Aluminiumatomen zijn een belangrijk element van deze zeolieten. Oorspronkelijk, deze zijn stevig verankerd in de zeolietsteiger. Door verwarming en andere trucs, ze kunnen uit deze verbinding worden vrijgemaakt en zo in staat worden gesteld om reacties te katalyseren die belangrijk zijn voor de bio-economie.

Promovendus Manoj Ravi van ETH Zürich analyseerde de literatuur hierover en vond enkele inconsistenties. "De manier waarop de aluminiumatomen reacties katalyseren, is blijkbaar veel gecompliceerder dan eerder werd gedacht, "zegt hij. Bijvoorbeeld, niet alle aluminiumatomen komen volledig vrij uit de steigerverbinding. In plaats daarvan, in zo'n zeoliet bestaan ​​naast elkaar drie verschillende soorten aluminiumatomen:de atomen die nog vastzitten in de steigers, die gedeeltelijk vrijstaand zijn, en degenen die volledig vrijstaand zijn. "Het is belangrijk om deze drie soorten van elkaar te onderscheiden en niet op één hoop te gooien."

Begrijpen wat er gebeurt

PSI synthetiseert ook zelf zeolieten en analyseert hun structuren, bijvoorbeeld met behulp van de Swiss Light Source SLS. "Metingen bij grote onderzoeksfaciliteiten en met andere moderne technologieën helpen ons de structuur van de belangrijke actieve centra beter te begrijpen, ", zegt Sushkevich. Actieve centra zijn de plaatsen in een katalysator waar de reactie plaatsvindt.

Deze aanpak kan niet alleen nuttig zijn bij de overgang naar een bio-economie, maar ook bij de verwerking van klassieke fossiele hulpbronnen, voegt de drogist eraan toe.

De paper wordt op 21 september 2020 gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .