Hoewel we meestal denken aan ethanol als brandstof voor de benzinetank, het kan ook worden omgezet in waardevolle chemicaliën die een verscheidenheid aan op aardolie gebaseerde producten kunnen helpen vervangen die verder gaan dan alleen benzine. Echter, evoluerende ethanol voor een breder scala van industrieën vereist chemische processen die efficiënter zijn dan wat momenteel beschikbaar is.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die ethanol omzet in C5+-ketonen die kunnen dienen als bouwstenen voor alles, van oplosmiddelen tot vliegtuigbrandstof. In een nieuwe krant ze beschrijven deze baanbrekende chemie en het mechanisme erachter.

Ethanol in één pot opwaarderen naar C5+-ketonen

Katalysatoren zijn nodig om chemische transformaties te versnellen die ethanol omzetten in andere verbindingen. Om commercieel levensvatbaar te zijn, een katalysator moet zeer actief zijn en toch selectief de gewenste chemische producten genereren, met andere woorden, het moet op betrouwbare wijze het exacte gezochte materiaal produceren. Wetenschappers zoeken naar katalysatoren voor ethanol die de juiste verbindingen efficiënt kunnen afsplitsen en doen dat herhaaldelijk. In chemie die talrijke reactiestappen vereist in een lange cascade van chemische reacties naar het eindproduct, dit kan een hele opgave zijn.

De bij PNNL ontwikkelde katalysator condenseert meerdere reacties in één stap. Ethanol ontmoet de katalysator onder hoge temperatuur (370°C, of 698°F) en druk (300 pond per vierkante inch). Het wordt vervolgens snel omgezet in producten die meer dan 70 procent C5+-ketonen bevatten. De katalysator lijkt ook robuust, stabiel blijven over 2, 000 uur gebruik. Het einddoel is om een ​​katalysator te hebben die 2 tot 5 jaar meegaat.

Voor hun onderzoek hebben de wetenschappers combineerden zinkoxide en zirkoniumdioxide voor de katalysator. Dergelijke gemengde oxide-katalysatoren bereiken gewoonlijk niet zo'n selectiviteit, in plaats daarvan te veel ongewenste bijproducten afspinnen.

Maar de onderzoekers voegden nog een belangrijk ingrediënt aan de mix toe:palladium. Tijdens het proces, palladium en zink vormden een legering die zich heel anders gedroeg dan de samenstellende delen, alleen de noodzakelijke reactiestappen katalyseren die leiden tot de vorming van C5+-ketonen.

"Wat nieuw is, is het produceren van deze ketonen door tijdens de reactie de legering tussen palladium en zink te vormen, " zei Karthi Ramasamy, studeer co-auteur en senior onderzoeksingenieur bij PNNL. "Er gebeuren zoveel tussenstappen op deze ene katalysator - elke stap vereist een andere component van de katalysator om deze te activeren."

Een katalysator, flexibele bediening

De katalysator kan worden gebruikt om 2-pentanon en/of 2-heptanon te maken, die worden gebruikt in oplosmiddelen voor de elektronica-industrie en meestal zijn afgeleid van aardolie. C5+-ketonen kunnen ook dienen als tussenproducten om brandstofmengsels te produceren, smeermiddelen, vliegtuigbrandstof, en dieselbrandstof. Het genereren van dergelijke producten uit hernieuwbare ethanol in plaats van fossiele bronnen kan de uitstoot van broeikasgassen helpen verminderen en de energiezekerheid vergroten.

"Deze katalysator is zeer flexibel, " zei Ramasamy. "We kunnen aanpassingen maken aan de bedrijfsomstandigheden, zoals temperatuur en druk, om de gewenste productsamenstelling te bereiken."

Het proces wordt verder beschreven in het artikel "Direct Catalytic Conversion of Ethanol to C5+ Ketones:Role of Pd-Zn Alloy on Catalytic Activity and Stability, " gepubliceerd in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .