Zeolieten zijn extreem poreuze materialen:tien gram kan een inwendig oppervlak hebben ter grootte van een voetbalveld. Door hun holtes zijn ze nuttig bij het katalyseren van chemische reacties en zo energie te besparen. Een internationaal onderzoeksteam heeft nu nieuwe bevindingen gedaan over de rol van watermoleculen in deze processen. Een belangrijke toepassing is de omzetting van biomassa in biobrandstof.

Brandstof gemaakt uit biomassa wordt als klimaatneutraal beschouwd, hoewel er nog steeds energie nodig is om het te produceren:de gewenste chemische reacties vereisen hoge niveaus van temperatuur en druk.

"Als we in de toekomst zonder fossiele energiebronnen willen en op grote schaal efficiënt gebruik willen maken van biomassa, we zullen ook manieren moeten vinden om de energie die nodig is voor de verwerking van de biomassa te verminderen, " zegt Johannes Lercher, hoogleraar Chemische Technologie aan de Technische Universiteit van München (TUM) en directeur van het Instituut voor Geïntegreerde Katalyse aan het Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington (VS).

In samenwerking met een internationaal onderzoeksteam, Lercher heeft de rol van watermoleculen in reacties in de poriën van de zeoliet nader bekeken, die kleiner zijn dan een nanometer.

Het begint allemaal met zuren

Een kenmerk van een zuur is dat het gemakkelijk protonen afstaat. Dus, wanneer toegevoegd aan water, zoutzuur splitst in negatief geladen chloride-anionen, zoals die gevonden worden in tafelzoutkristallen, en positief geladen protonen die zich hechten aan de watermoleculen. Dit resulteert in een positief geladen hydroniumion, die dit proton verder wil doorgeven, bijvoorbeeld aan een organisch molecuul.

Wanneer het organische molecuul wordt "gedwongen" om een ​​proton te accepteren, het probeert zichzelf te stabiliseren. Dus, een alcohol kan aanleiding geven tot een molecuul met een dubbele binding - een typische reactiestap op het pad van biomassa naar biobrandstof. De zeolietwanden stabiliseren overgangstoestanden die optreden tijdens conversie en, dus, helpen om de hoeveelheid energie die nodig is om de reactie te laten plaatsvinden te minimaliseren.

Zeolieten die als zuren werken

Zeolieten bevatten zuurstofatomen in hun kristalstructuur die al een proton dragen. Net als moleculaire zuren vormen ze hydroniumionen door de interactie met water.

Echter, terwijl hydroniumionen in water dispergeren, ze blijven nauw verbonden met de zeoliet. Chemische voorbehandeling kan het aantal van deze actieve centra variëren en, dus, een bepaalde dichtheid van hydroniumionen in de poriën van de zeoliet tot stand brengen.

De ideale zeoliet voor elke reactie

Door de grootte van de holtes systematisch te variëren, de dichtheid van de actieve plaatsen en de hoeveelheid water, het onderzoeksteam was in staat om de poriegroottes en concentraties van water op te helderen die geselecteerde voorbeeldreacties het best katalyseerden.

"In het algemeen, het is mogelijk om de reactiesnelheid te verhogen door de poriën kleiner te maken en de ladingsdichtheid te verhogen, " Johannes Lercher legt uit. "Echter, deze toename heeft zijn grenzen:als het te druk wordt en de ladingen te dicht bij elkaar komen, de reactiesnelheid daalt weer. Dit maakt het mogelijk om voor elke reactie de optimale omstandigheden te vinden."

"Zeolieten zijn over het algemeen geschikt als nanoreactoren voor alle chemische reacties waarvan de reactiepartners in de poriën passen en waarbij een zuur als katalysator wordt gebruikt, " benadrukt Lercher. "We staan ​​helemaal aan het begin van een ontwikkeling met het potentieel om de reactiviteit van moleculen zelfs bij lage temperaturen te verhogen en, dus, om aanzienlijke hoeveelheden energie te besparen bij de productie van brandstoffen of chemicaliën."