Forskare som leds av University of Manchester har utformat en katalysator som omvandlar biomassa till bränslekällor med anmärkningsvärt hög effektivitet och erbjuder nya möjligheter för tillverkning av avancerade förnybara material.

Neutronspridningsexperiment vid Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory spelade en nyckelroll för att bestämma den kemiska och beteendemiska dynamiken hos en zeolitkatalysator - zeolit ​​är ett vanligt poröst material som används i kommersiell katalys - för att ge information för att maximera dess prestanda.

Den optimerade katalysatorn, kallas NbAlS-1, omvandlar råmaterial från biomassa till lätta olefiner-en klass av petrokemikalier som eten, propen, och buten, används för att tillverka plast och flytande bränslen. Den nya katalysatorn har ett imponerande utbyte på mer än 99% men kräver betydligt mindre energi jämfört med sina föregångare. Teamets forskning publiceras i tidskriften Naturmaterial .

"Industri förlitar sig starkt på användningen av lätta olefiner från råolja, men deras produktion kan ha negativa effekter på miljön, "sa huvudförfattaren Longfei Lin vid University of Manchester." Tidigare katalysatorer som producerade buten från renade syresatta föreningar krävde mycket energi, eller extremt höga temperaturer. Denna nya katalysator omvandlar direkt råa syresatta föreningar med mycket mildare förhållanden och med betydligt mindre energi och är mer miljövänlig. "

Biomassa är organiskt material som kan omvandlas och användas för bränsle och råvaror. Det härrör vanligen från återstående jordbruksavfall som trä, gräs, och halm som bryts ner och matas in i en katalysator som omvandlar det till buten-en energirik gas som används av den kemiska och petroleumindustrin för att tillverka plast, polymerer och flytande bränslen som annars produceras av olja.

Vanligtvis, en kemisk reaktion kräver en enorm mängd energi för att bryta de starka bindningarna som bildas från grundämnen som kol, syre, och väte. Vissa obligationer kan kräva uppvärmning till 1, 000 ° C (mer än 1, 800 ° F) och varmare innan bindningarna bryts.

För en grönare design, laget dopade katalysatorn genom att ersätta zeolitens kiselatomer med niob och aluminium. Substitutionen skapar ett kemiskt obalanserat tillstånd som främjar bindningsseparation och radikalt minskar behovet av höga grader av värmebehandlingar.

"Kemin som sker på ytan av en katalysator kan vara extremt komplicerad. Om du inte är försiktig med att kontrollera saker som tryck, temperatur, och koncentration, du kommer att göra väldigt lite buten, "sa ORNL -forskaren Yongqiang Cheng." För att få ett högt utbyte, du måste optimera processen, och för att optimera processen måste du förstå hur processen fungerar. "

Neutroner är väl lämpade för att studera kemiska reaktioner av denna typ på grund av deras djupt penetrerande egenskaper och deras akuta känslighet för ljuselement som väte. VISION -spektrometern vid ORNL:s Spallation Neutron Source gjorde det möjligt för forskarna att bestämma exakt vilka kemiska bindningar som fanns och hur de beter sig baserat på bindningarnas vibrationssignaturer. Den informationen gjorde det möjligt för dem att rekonstruera den kemiska sekvens som behövs för att optimera katalysatorns prestanda.

"Det är mycket försök och fel i samband med att designa en så högpresterande katalysator som den vi har utvecklat, "sa motsvarande författare Sihai Yang vid University of Manchester." Ju mer vi förstår hur katalysatorer fungerar, desto mer kan vi styra designprocessen för nästa generations material. "

Synkrotronröntgendiffraktionsmätningar vid Storbritanniens Diamond Light Source användes för att bestämma katalysatorns atomstruktur och kompletterande neutronspridningsmätningar gjordes vid Rutherford Appleton Laboratory ISIS Neutron och Muon Source.

Förutom Lin, Cheng, och Yang, listan över medförfattare inkluderar Alena M. Sheveleva, Ivan da Silva, Christopher M. A. Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Mengtian Fan, Xue Han, Joseph H. Carter, Floriana tonfisk, Eric J. L. McInnes, Luke L. Daemen, Svemir Rudić, Anibal J. Ramirez-Cuesta, och Chiu C. Tang.