Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och från ETH Zürich vill effektivisera så kallade zeoliter. I dag, dessa föreningar är redan oumbärliga tillsatser i den kemiska industrin och har använts som katalysatorer i oljeraffinaderier sedan 1960 -talet. Nu, i tidningen Naturmaterial , forskarna förespråkar att ägna mer uppmärksamhet åt de klassiska zeoliterna. Dessa, de hävdar, skulle till och med ha potential att möjliggöra en bioekonomi baserad på förnybara resurser.

För att omvandla vår fossila bränslebaserade ekonomi till en hållbar bioekonomi, vi måste ersätta fossila resurser med förnybara råvaror. Men petroleum, utgångsmaterialet för många produkter från den kemiska industrin, kan inte helt enkelt bytas ut mot trä, majs, och halm, eftersom växter består av helt andra typer av molekyler än "svart guld". För att driva bilar och möjliggöra produktion av ett brett utbud av plast eller läkemedel, förnybara råvaror måste först genomgå en kemisk omvandling. Här ges hjälp av katalysatorer, det är, ämnen som driver kemiska reaktioner eller gör dem möjliga i första hand.

Extremt lovande katalysatorer för detta ändamål är zeoliter, byggnadsliknande föreningar av aluminium, syre, och kisel. Zeoliter förekommer naturligt - till exempel som mineraler i bergformationer - eller produceras syntetiskt. De är bland de viktigaste katalysatorerna i den kemiska industrin. Sedan 1960 -talet har de har använts i oljeraffinaderier för sprickbildning, processen att dela långa kolvätekedjor i kortare. De används också, till exempel, som ingredienser i tvättmedel, vid vattenmjukgörande processer, och i värmebehållarsystem.

Zeoliter underlättar övergången till en bioekonomi genom att göra det möjligt att omvandla biomassa till molekyler som industrin desperat behöver. Men:"Vid denna tidpunkt, forskning om zeoliter har nått en återvändsgränd, "säger Vitaly Sushkevich, en forskare vid Laboratory for Catalysis and Sustainable Chemistry vid PSI. Tillsammans med kollegor på PSI och ETH Zürich, han vill få zeolitforskning ur denna återvändsgränd.

Allt aluminium är inte detsamma

Problemet:Att utveckla katalysatorer för bioekonomin, forskare världen över arbetar med zeoliter som också innehåller tenn, titan, eller zirkoniumatomer. Dock, deras prestanda kan inte ökas ytterligare. Därför rekommenderar Sushkevichs team att vända tillbaka till de klassiska zeoliterna, som bara består av kisel, aluminium, och syre. "De är mycket effektiva katalysatorer, "säger Sushkevich." Det speciella är att de kan modifieras och anpassas efter behov för specifika ändamål. Du kan till och med katalysera flera kemiska reaktioner efter varandra. "I det här fallet, den önskade produkten D skapas bekvämt från utgångsmaterialet A genom de mellanliggande stegen B och C.

Aluminiumatomer är ett viktigt element i dessa zeoliter. Ursprungligen, dessa är fast förankrade i zeolitställningen. Genom uppvärmning och andra knep, de kan frigöras från denna förening och på så sätt sättas i stånd att katalysera reaktioner som är viktiga för bioekonomin.

Doktorand Manoj Ravi från ETH Zürich analyserade litteraturen om detta och fann flera inkonsekvenser. "Hur aluminiumatomerna katalyserar reaktioner är uppenbarligen mycket mer komplicerat än man tidigare trodde, "säger han. Till exempel, inte alla aluminiumatomer frigörs helt från ställningsföreningen. Istället, tre olika typer av aluminiumatomer samexisterar i en sådan zeolit:de som fortfarande sitter fast i byggnadsställningarna, de som är delvis fristående, och de som är helt fristående. "Det är viktigt att skilja dessa tre typer från varandra och inte klumpa ihop dem."

Förstå vad som händer

PSI syntetiserar också zeoliterna själva och analyserar deras strukturer, till exempel med hjälp av Swiss Light Source SLS. "Mätningar vid stora forskningsanläggningar och med annan modern teknik hjälper oss att bättre förstå strukturen hos de viktiga aktiva centren, "säger Sushkevich. Aktiva centra är platserna i en katalysator där reaktionen äger rum.

Detta tillvägagångssätt kan vara till hjälp inte bara vid övergången till en bioekonomi, men också vid bearbetning av klassiska fossila resurser, tillägger kemisten.

Tidningen kommer att publiceras den 21 september 2020 i tidningen Naturmaterial .