Het koolstofvrij maken van het luchtvervoer is van cruciaal belang om de Amerikaanse klimaatdoelstellingen te halen en de energie-economie van het land te verbeteren. Maar technologieën die auto's transformeren, zoals elektrische motoren en waterstofbrandstoffen, zijn moeilijk te implementeren in vliegtuigen.

Een batterij die krachtig genoeg is om een ​​vliegtuig van brandstof te voorzien, zou onbetaalbaar zijn. Waterstof is slechts een kwart zo energiedicht als vliegtuigbrandstof (en vele malen duurder), maar er zouden grote complexe opslagtanks aan boord nodig zijn. Om de uitstoot sterk te verminderen, de Amerikaanse commerciële luchtvaartsector zal nieuwe methoden nodig hebben om duurzame vliegtuigbrandstof te maken.

De gevestigde, prijsconcurrerende ethanolmarkt biedt de mogelijkheid om de samenstelling van vliegtuigbrandstof en andere brandstofproducten te verschuiven van aardolie. Het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Bioenergy Technologies Office van het Department of Energy is gericht op de ontwikkeling van industrieel levensvatbare brandstoffen met behulp van hernieuwbare biomassa, inclusief inspanningen van nationale laboratoria om biobrandstoffen te produceren die compatibel zijn met de huidige vliegtuigsystemen.

In de eerste stap van een meerstaps proces van ethanol naar vliegtuigbrandstof, ontwikkeld door DOE's Oak Ridge National Laboratory, een katalysator wordt gebruikt om ethanol om te zetten in buteenrijke C ₃₊ olefinen, belangrijke tussenproducten die vervolgens kunnen worden verwerkt tot vliegtuigbrandstoffen. Nog twee stappen - oligomerisatie en waterstofbehandeling - zetten deze tussenproducten om in vloeibare koolwaterstoffen die als brandstof worden gebruikt.

Zhenglong Li van ORNL leidde een team dat belast was met het verbeteren van de huidige techniek voor het omzetten van ethanol in C ₃₊ olefinen en demonstreerde een unieke samengestelde katalysator die de huidige praktijk op zijn kop zet en de kosten verlaagt. Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Katalyse .

Er zijn twee uitdagingen die de huidige conversietechnieken belemmeren om op grotere schaal te worden toegepast:een lage olefineopbrengst en hoge productiekosten. Ook, recente benaderingen van conversie vereisen extra waterstof, een andere kostenpost. Het komt neer op? De kosten van het opwaarderen van ethanol moeten drastisch worden verlaagd om te kunnen concurreren met aardolie.

Li is op een missie om het standaardproces opnieuw te maken, producerende C ₃₊ olefinen met hoge opbrengst en zonder extra waterstof. Bij het bestuderen van de kleinere reacties die in deze stap spelen, Li's team ging op zoek naar een mogelijke oplossing.

"Hoewel we dit als één proces beschouwen, van de scheikundekant als je inzoomt, er zijn verschillende elementaire stappen, "zei hij. "In de eerste stap, we genereren intern waterstof - kunnen we die lage waterstofconcentratie stroomafwaarts gebruiken waar het nodig is en vermijden we extra waterstof te gebruiken? Om dit te doen, we moeten nieuwe katalysatoren ontwikkelen; de huidige normen kunnen deze omzetting niet doen bij de vereiste relatief hoge temperatuur."

Het team ontwikkelde en testte een samengestelde katalysator:een zink-yttrium-bèta-katalysator in combinatie met een katalysator van een legering met één atoom. ORNL materiaalwetenschappers, waaronder Li's co-auteur Lawrence Allard, pionier in het gebruik van katalysatoren met één atoom, die werd geïntroduceerd in een Nature Chemistry-paper uit 2011.

"Enkelatoomlegeringen worden gebruikt voor selectieve hydrogenering bij lage temperatuur, maar niemand heeft het gebruik ervan bij dit soort verlaging van hoge temperaturen gemeld, " zei Li. "We weten ook dat we deze moleculen gemakkelijk kunnen overhydrogeneren, die niet bruikbaar zou zijn. Het cruciale hier was het moduleren van de verhouding van waterstof en butadieen die tijdens de reactie werd gegenereerd."

Het proces was een succes:de composietkatalysator bereikte een ethanol tot C ₃₊ olefinereactie zonder externe waterstof en verschoof de opbrengst.

"We bereiken 78% selectiviteit bij 94% ethanolconversie, de hoogste gerapporteerde in de literatuur, ' zei Li.

Het onderzoek is een primeur voor het combineren van deze katalysatoren en biedt nieuw fundamenteel inzicht in hoe deze materialen werken. Li's team zal de techniek verder pushen.

"We zullen dit proces blijven optimaliseren om een ​​nog grotere selectiviteit van de katalysator en een hogere olefineopbrengst te bereiken, " zei hij. "De luchtvaartindustrie heeft energierijke vloeibare koolwaterstofbrandstoffen nodig. Deze nieuwe katalysatortechnologie is een belangrijke stap in de richting van duurzame, duurzame vliegtuigbrandstof door ethanolconversie."