Onderzoekers in de Pacific Northwest hebben een nieuw katalysatormateriaal ontwikkeld dat de chemicaliën kan vervangen die momenteel uit aardolie worden gewonnen en de basis kan vormen voor milieuvriendelijkere producten, waaronder octaanverhogende gas- en brandstofadditieven, biobased rubber voor banden en een veiliger oplosmiddel voor de chemische industrie.

Om duurzame biobrandstoffen te maken, producenten willen ethanol vergisten uit non-food plantaardig materiaal zoals maïsstengels en onkruid. Momenteel, De belangrijkste waarden van de zogenaamde bio-ethanol zijn als niet-vervuilende vervanging voor octaanverhogende brandstofadditieven om het kloppen van de motor te voorkomen en als hernieuwbare vervanging voor een bepaald percentage benzine. Om bio-ethanol om te zetten in andere nuttige producten, onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy en van de Washington State University hebben een nieuw katalysatormateriaal ontwikkeld dat het zal omzetten in een chemische stof die isobuteen wordt genoemd. En dat kan in één productiestap, wat de kosten kan drukken.

Gerapporteerd door onderzoekers van het Institute for Integrated Catalysis bij PNNL en in de Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering aan de WSU, de bevindingen verschenen 21 juli in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Isobuteen is een veelzijdige chemische stof die de toepassingen voor duurzaam geproduceerde bio-ethanol zou kunnen uitbreiden, " zei chemisch ingenieur Yong Wang, die een gezamenlijke aanstelling heeft bij PNNL in Richland, Wash. en bij WSU in Pullman, Wassen., en leidt onderzoeksinspanningen bij beide instellingen.

In aanvulling, deze katalysator vereist de aanwezigheid van water, waardoor producenten verdunde en goedkopere bio-ethanol kunnen gebruiken in plaats van deze eerst te moeten zuiveren, mogelijk lagere kosten en snellere productietijden.

Geen Z-Z-Z voor de vermoeiden

Een belangrijke sleutel tot het ontsluiten van hernieuwbare energiebronnen om fossiele brandstofproducten te vervangen, is de katalysator. Een katalysator is een stof die chemische reacties van belang bevordert. De katalysator in een auto, bijvoorbeeld, versnelt chemische reacties die vervuilende gassen afbreken, het opruimen van de uitlaat van een voertuig.

De onderzoekers van PNNL en WSU probeerden waterstofbrandstof te maken van ethanol. Om een ​​conventionele katalysator te verbeteren, ze hadden zinkoxide en zirkoniumoxide genomen en beide gecombineerd tot een nieuw materiaal dat een gemengd oxide wordt genoemd - de zink- en de zirkoniumatomen geweven door een kristal van zuurstofatomen. Het gemengde oxide uittesten, Postdoctoraal onderzoeker Junming Sun van PNNL zag niet alleen waterstof, maar -- onverwacht -- nogal wat isobuteen (EYE-SO-BEW-TEEN).

Waterstof is geweldig, maar isobuteen is beter. Chemici kunnen er bandenrubber van maken of een veiliger oplosmiddel dat giftige stoffen kan vervangen voor reiniging of industrieel gebruik. Isobuteen kan ook gemakkelijk worden omgezet in vliegtuigbrandstof en benzineadditieven die het octaangetal verhogen - die waarde vermeld op benzinepompen die voorkomen dat een motor klopt - zoals ETBE.

Zon schijnt

Niemand had ooit eerder gezien dat een katalysator isobuteen maakte uit ethanol in een eenstaps chemische reactie. dus realiseerden de onderzoekers zich dat een dergelijke katalysator belangrijk zou kunnen zijn bij het verlagen van de kosten van biobrandstoffen en hernieuwbare chemicaliën.

De katalysator nader onderzoeken, de onderzoekers onderzochten wat er gebeurde als ze verschillende hoeveelheden zink en zirkonium gebruikten. Ze toonden aan dat een katalysator gemaakt van alleen zinkoxide de ethanol grotendeels in aceton omzet, een ingrediënt in nagellakremover. Als de katalysator alleen zirkoniumoxide bevatte, het zette ethanol voornamelijk om in ethyleen, een door planten gemaakte chemische stof die fruit laat rijpen.

Maar het isobuteen? Dat kwam pas in bruikbare hoeveelheden voor als de katalysator zowel zink als zirkonium bevatte. En "nuttige hoeveelheden" betekent "veel". Met een 1:10 verhouding van zink tot zirkonium, de gemengde oxidekatalysator kon meer dan 83 procent van de ethanol omzetten in isobuteen.

"We behaalden consequent een opbrengst van 83 procent met een verbeterde levensduur van de katalysator, " zei Wang. "We waren blij om die zeer hoge opbrengst te zien."

Reactionair inzicht

De onderzoekers analyseerden de chemie om erachter te komen wat er aan de hand was. In de experimenten met enkelvoudige metaaloxiden, het zinkoxide creëerde aceton terwijl het zirkoniumoxide ethyleen creëerde. De gemakkelijkste manier om vanaf daar bij isobuteen te komen, theoretisch gesproken, is om aceton om te zetten in isobuteen, waartoe zirkoniumoxide normaal gesproken in staat is. En de weg van ethanol naar isobuteen zou alleen zo productief kunnen zijn als Sun vond als zirkoniumoxide niet op een zijspoor zou komen door ethanol in ethyleen te veranderen.

Iets over het gemengde oxide, dan, verhinderde dat zirkoniumoxide ethanol in het ongewenste ethyleen veranderde. Het team redeneerde dat het isobuteen waarschijnlijk ontstond uit zinkoxide dat ethanol in aceton veranderde. dan zirkoniumoxide - beïnvloed door het nabijgelegen zinkoxide - verandert aceton in isobuteen. Tegelijkertijd, de invloed van het zinkoxide verhinderde de omzetting van ethanol in ethyleen door zirkoniumoxide. Hoewel dat twee reactiestappen zijn voor de katalysator, het is er maar één voor de chemici, omdat ze de katalysator maar één keer met ethanol en water hoefden te vullen.

Om een ​​idee te krijgen van hoe dicht de reacties bij elkaar moesten komen om isobuteen te laten verschijnen, het team combineerde zinkoxide in poedervorm en zirkoniumoxide in poedervorm. Dit verschilde van het gemengde oxide doordat de zink- en zirkoniumatomen niet in dezelfde katalysatordeeltjes waren opgenomen. Deze gemengde poeders zetten ethanol voornamelijk om in aceton en ethyleen, met enkele hoeveelheden andere moleculen en minder dan 3 procent isobuteen, wat aangeeft dat de magie van de katalysator afkomstig was van de microstructuur van het gemengde oxidemateriaal.

Evenwichtsoefening

Dus, de onderzoekers verkenden de microstructuur met behulp van instrumenten en expertise bij EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory op de PNNL-campus. Met behulp van krachtige gereedschappen, transmissie-elektronenmicroscopen genaamd, het team zag dat de gemengde oxidekatalysator bestond uit kristallijne deeltjes ter grootte van nanometers.

Een nadere blik op de best presterende katalysatoren onthulde dat zinkoxide gelijkmatig verdeeld was over gebieden met zirkoniumoxide. De slechtst presterende katalysator -- met een 1:1 zink tot zirkonium verhouding -- onthulde gebieden van zinkoxide en gebieden van zirkoniumoxide. Dit suggereerde het team dat de twee metalen dicht bij elkaar moesten zijn om de aceton snel in isobuteen te veranderen.

Experimentele resultaten van andere analytische methoden gaven aan dat het team het type chemische reacties dat tot isobuteen leidt, kan optimaliseren en ook kan voorkomen dat de katalysator tegelijkertijd deactiveert. De elegante balans van zure en basische plaatsen op de gemengde oxiden zorgde ervoor dat koolstof zich aanzienlijk ophoopte en de katalysatoren opslokte, wat hun levensduur verkort.

Toekomstig werk zal kijken naar optimalisaties om de opbrengst en de levensduur van de katalysator verder te verbeteren. Wang en collega's willen ook kijken of ze deze isobuteenkatalysator kunnen combineren met andere katalysatoren om verschillende chemicaliën te produceren in eenpotsreacties.