Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zeolith-Katalysatoren ebnen den Weg für dezentrale chemische Prozesse: Biosprit aus Abfällen

28.06.2017

Sprit aus Abfall? Ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Mit einem neuen Katalysatorkonzept ist es Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) jetzt gelungen, Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren von Zeolith-Kristallen statt.

Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. „Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren“, meint Prof. Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. „Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.“


Modell des Zeolith-Katalysators

Bild: Andreas Heddergott / TUM


Mitarbeiter von Prof. Lerchers Team im Labor des Katalyseforschungszentrums. Dr. Yue Liu, Teresa Schachtl und Daniel Melzer, vlnr

Bild: Andreas Heddergott / TUM

Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. „Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann“, erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an Pacific Northwest National Laboratory ist.

Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mit Hilfe von Zeolith-Kristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolith-Katalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich.

Die Natur als Vorbild

Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens stand die Natur Pate: In biologischen Systemen sorgen Enzyme, an deren Oberflächen sich kleine Taschen befinden, dafür, dass chemische Prozesse schneller ablaufen.

„Wir haben uns überlegt, wie wir diese biologischen Funktionen auf die organische Chemie übertragen können“, erläutert Lercher. „Auf der Suche nach geeigneten Katalysatoren, die die Reaktion beschleunigen, sind wir auf die Zeolithe gestoßen: Kristalle mit kleinen Hohlräumen, in denen Reaktionen unter ähnlich beengten Verhältnissen ablaufen wie in den Taschen der Enzyme.“

Säure in die Enge getrieben

Doch steigert die Enge tatsächlich die Reaktivität? Um diese Frage zu beantworten, verglich Lerchers Team im Labor die Reaktion von Kohlenstoffverbindungen mit Säuren im Becherglas mit der in Zeolithen. Ergebnis: In den engen Hohlräumen der Kristalle, wo reagierende Moleküle, beispielsweise Alkohole, auf Hydronium-Ionen der Säuren treffen, laufen Reaktionen bis zu hundert Mal schneller und bereits knapp über 100°C mit hohen Raten ab.

„Unsere Experimente zeigen, dass die Zeolithe als Katalysatoren eine Wirkung entfalten, die vergleichbar ist mit der von Enzymen: Beide senken das Energieniveau, das für die Reaktionen notwendig ist ganz erheblich“, berichtet Lercher. „Die katalytische Wirkung wird dabei stärker, je kleiner die Hohlräume sind, in denen die Reaktionen stattfinden. Die besten Ergebnisse haben wir bei Durchmessern von weit unter einem Nanometer erzielt.“

Gecko, Wachs und Zeolithe

Doch warum macht Enge die Moleküle reaktionsfreudiger? „Die Kraft, die den Reaktionspfad verbessert, ist dieselbe, die dafür sorgt, dass Wachs an der Tischplatte klebt und Geckos an der Decke laufen können“, antwortet Lercher. „Je mehr Kontaktpunkte es zwischen zwei Oberflächen gibt, desto größer die Adhäsion. In unserm Experiment werden die organischen Moleküle, die sich in wässriger Lösung befinden, von den Poren der Zeolithe regelrecht angezogen.“

Im Inneren der Hohlräume haben die Hydronium-Ionen daher eine erheblich höhere Wahrscheinlichkeit auf einen Reaktionspartner zu treffen als außerhalb. Das Ergebnis ist eine sauer katalysierte chemische Reaktion, die schneller und mit weniger Energiezufuhr abläuft.

Aus Müll wird Sprit

Durch den Kontakt mit den Hydronium-Ionen verlieren die organischen Moleküle Sauerstoff. Das Verfahren eignet sich daher gut, um Bio-Öl, das aus organischen Abfällen gewonnen wird, in Treibstoff umzuwandeln.

Bis das neue Verfahren in der Praxis eingesetzt werden kann, wird freilich noch einige Zeit vergehen. „Noch arbeiten wir an den Grundlagen“, betont Lercher. „Mit denen wollen wir die Voraussetzung schaffen für eine neue, dezentrale Chemie, die keine großtechnischen Anlagen mehr benötigt.“

Die Arbeiten entstanden in einer Kooperation des Lehrstuhls für Technische II mit dem Zentralinstitut für Katalyseforschung der TU München und dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Sie wurden gefördert mit Mitteln des U.S. Department of Energy (DOE). Ein Teil der NMR-Experimente wurde am Environmental Molecular Science Laboratory (EMSL) des PNNL durchgeführt, dessen National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) auch Rechenzeit für Simulationen zur Verfügung stellte.

Publikationen:

Enhancing the catalytic activity of hydronium ions through constrained environments
Y. Liu, A. Vjunov, H. Shi, S. Eckstein, D. M. Camaioni, D. Mei, E. Barath, J. A. Lercher
Nat. Comm., 8, 14113 (2017) – DOI: 10.1038/ncomms14113
https://www.nature.com/articles/ncomms14113

Tailoring nanoscopic confines to maximize catalytic activity of hydronium ions
H. Shi, S. Eckstein, A. Vjunov, D.M. Camaioni, J.A. Lercher
Nat. Comm., 8, 14113 (2017) – DOI: 10.1038/ncomms15442
https://www.nature.com/articles/ncomms15442

Kontakt:

Prof. Dr. Johannes Lercher
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Chemie II
Lichtenbergstr. 4, 85746 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 13540 – E-Mail: Johannes.Lercher@ch.tum.de
Web: http://www.tc2.ch.tum.de

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34027/ Link zur Pressemitteilung

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Verkalkte Zähne retten
19.06.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Uhrenbestandteile aus Diamant
18.06.2018 | Schweizerischer Nationalfonds SNF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Im Focus: Revolution der Rohre

Forscher*innen des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg lassen Rohrleitungen, Schläuchen oder Behältern in Zukunft regelrecht Ohren wachsen. Sie entwickelten ein innovatives akustisches Messverfahren, um Ablagerungen in Rohren frühzeitig zu erkennen.

Rückstände in Abflussleitungen führen meist zu unerfreulichen Folgen. Ein besonderes Gefährdungspotential birgt der Biofilm – eine Schleimschicht, in der...

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Breitbandservices von DNS:NET erweitert

20.06.2018 | Unternehmensmeldung

Mit Parasiten infizierte Stichlinge beeinflussen Verhalten gesunder Artgenossen

20.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics