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 Materialdesign in 3D: vom Molekül bis zur Makrostruktur
21.02.2019 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Laserverfahren für funktionsintegrierte Composites
18.02.2019 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Jet/Hüllen-Rätsel in Gravitationswellenereignis gelöst

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Astronomen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat Radioteleskope auf fünf Kontinenten miteinander verknüpft, um das Vorhandensein eines stark gebündelten Materiestrahls, eines sogenannten Jets zu beweisen, der vom Überrest des bisher einzigen bekannten Gravitationswellenereignisses ausgeht, bei dem zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Bei den Beobachtungen im weltweiten Netzwerk spielte das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg eine wichtige Rolle.

Im August 2017 wurde zum ersten Mal die Verschmelzung zweier sehr kompakter Sternüberreste, sogenannter Neutronensterne, beobachtet, deren vorhergehende...

Im Focus: (Re)solving the jet/cocoon riddle of a gravitational wave event

An international research team including astronomers from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has combined radio telescopes from five continents to prove the existence of a narrow stream of material, a so-called jet, emerging from the only gravitational wave event involving two neutron stars observed so far. With its high sensitivity and excellent performance, the 100-m radio telescope in Effelsberg played an important role in the observations.

In August 2017, two neutron stars were observed colliding, producing gravitational waves that were detected by the American LIGO and European Virgo detectors....

Im Focus: Materialdesign in 3D: vom Molekül bis zur Makrostruktur

Mit additiven Verfahren wie dem 3D-Druck lässt sich nahezu jede beliebige Struktur umsetzen – sogar im Nanobereich. Diese können, je nach verwendeter „Tinte“, die unterschiedlichsten Funktionen erfüllen: von hybriden optischen Chips bis zu Biogerüsten für Zellgewebe. Im gemeinsamen Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order” wollen Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg die dreidimensionale additive Fertigung auf die nächste Stufe heben: Ziel ist die Entwicklung neuer Technologien, die einen flexiblen, digitalen Druck ermöglichen, der mit Tischgeräten Strukturen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene umsetzen kann.

„Der 3D-Druck bietet gerade im Mikro- und Nanobereich enorme Möglichkeiten. Die Herausforderungen, um diese zu erschließen, sind jedoch ebenso gewaltig“, sagt...

Im Focus: Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft - Quantenzustand in Diamanten gemessen

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch zu messen. Ein Qubit gilt als die Grundeinheit der Quanteninformation. Die Ergebnisse der Studie, die von der Universität Ulm koordiniert wurde, erschienen jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Science.

Die Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten...

Im Focus: Wasser ist homogener als gedacht

Um die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1% Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.

Wasser ist das „Element“ des Lebens, die meisten biologischen Prozesse sind auf Wasser angewiesen. Dennoch gibt Wasser noch immer Rätsel auf. So dehnt es sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Mobile World Congress: Bundesamt für Strahlenschutz rät zu Handys mit geringem SAR-Wert

22.02.2019 | Veranstaltungen

Unendliche Weiten: Geophysiker nehmen den Weltraum ins Visier

21.02.2019 | Veranstaltungen

Tagung rund um zuverlässige Verbindungen

20.02.2019 | Veranstaltungen

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

Der Zeit atomarer Vorgänge auf der Spur

22.02.2019 | Physik Astronomie

Wie Korallenlarven sesshaft werden

22.02.2019 | Biowissenschaften Chemie

Ökologische Holz-Hybridbauweisen für den Geschossbau

22.02.2019 | Architektur Bauwesen

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