Syntetiskt gummi och plast - används för tillverkning av däck, leksaker och otaliga andra produkter - tillverkas av butadien, en molekyl som traditionellt är gjord av petroleum eller naturgas. Men de konstgjorda materialen kan bli mycket grönare snart, tack vare uppfinningsrikedomen hos ett team av forskare från tre amerikanska forskningsuniversitet.

Det vetenskapliga teamet - från University of Delaware, University of Minnesota och University of Massachusetts - har uppfunnit en process för att tillverka butadien från förnybara källor som träd, gräs och majs.

Resultaten, nu online, kommer att publiceras i American Chemical Society's ACS Hållbar kemi och teknik , en ledande tidskrift inom grön kemi och teknik. Studiens författare är alla anslutna till Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) baserat vid University of Delaware. CCEI är ett Energy Frontier Research Center som finansieras av U.S. Department of Energy.

"Vårt team kombinerade en katalysator som vi nyligen upptäckte med ny och spännande kemi för att hitta den första högavkastningen, lågkostnadsmetod för tillverkning av butadien, "säger CCEI -chefen Dionisios Vlachos, Allan och Myra Ferguson professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UD och medförfattare till studien. "Denna forskning kan förändra plast- och gummiindustrin på flera miljarder dollar."

Butadien är den främsta kemiska komponenten i ett brett spektrum av material som finns i hela samhället. När denna fyrkolmolekyl genomgår en kemisk reaktion för att bilda långa kedjor som kallas polymerer, styren-butadiengummi (SBR) bildas, som används för att göra slitstarka bildäck. När det blandas för att göra nitrilbutadiengummi (NBR), det blir nyckelkomponenten i slangar, tätningar och gummihandskar som finns överallt i medicinska miljöer.

I plastens värld, butadien är den främsta kemiska komponenten i akrylnitril-butadien-styren (ABS), en hårdplast som kan formas till styva former. Tuff ABS -plast används för att göra videospelkonsoler, bildelar, sportartiklar, medicinsk utrustning och låsande tegelstenar av plast, bland andra produkter.

De senaste tio åren har man sett en förskjutning mot ett akademiskt forskningsfokus på förnybara kemikalier och butadien, särskilt, på grund av dess betydelse för kommersiella produkter, Säger Vlachos.

"Vårt teams framgångar kom från vår filosofi som förbinder forskning i nya katalytiska material med en ny metod för kemi, "säger Vlachos." Detta är ett bra exempel där forskargruppen var större än summan av dess delar. "

Ny kemi i tre steg

Den nya kemin inkluderade en trestegsprocess utgående från biomassa härledda sockerarter. Med hjälp av teknik utvecklad inom CCEI, laget konverterade sockerarter till en ringförening som kallas furfural. I det andra steget, laget bearbetade vidare furfural till en annan ringförening som kallas tetrahydrofuran (THF).

Det var i det tredje steget som teamet fann den banbrytande kemiska tillverkningstekniken. Med hjälp av en ny katalysator som kallas "fosfor-kiseldioxid-zeolit, "utvecklad inom centrum, laget kunde konvertera THF till butadien med hög avkastning (större än 95 procent).

Teamet kallade detta nytt, selektiv reaktion "dehydra-decyklisering" för att representera dess förmåga att samtidigt avlägsna vatten och öppna ringföreningar samtidigt.

"Vi upptäckte att fosforbaserade katalysatorer som stöds av kiseldioxid och zeoliter uppvisar hög selektivitet för tillverkning av kemikalier som butadien, "säger Prof. Wei Fan från University of Massachusetts Amherst." När man jämför deras förmåga att kontrollera vissa industrikemiska användningsområden med andra katalysatorer, fosformaterialen verkar verkligen unika och kompletterar fint den uppsättning katalysatorer vi har utvecklat på CCEI. "

Uppfinningen av förnybart gummi är en del av CCEI:s större uppdrag. Inleddes 2009, CCEI har fokuserat på transformationskatalytisk teknik för att producera förnybara kemikalier och biobränslen från naturliga biomassakällor.

"Denna nyare teknik expanderar avsevärt skiffern av molekyler vi kan göra av lignocellulosa, "säger professor Paul Dauenhauer från University of Minnesota, som är meddirektör för CCEI och medförfattare till studien.