Forskare har utvecklat en kraftfull, lågkostnadsmetod för att återvinna använd matolja och jordbruksavfall till biodiesel, och att förvandla matrester och plastskräp till högvärdiga produkter.

Metoden utnyttjar en ny typ av ultraeffektiv katalysator som kan göra biodiesel med låg kolhalt och andra värdefulla komplexa molekyler av olika, orena råvaror.

Avfallsolja måste för närvarande genomgå en energikrävande reningsprocess för att användas i biodiesel, eftersom kommersiella produktionsmetoder bara kan hantera rena råvaror med 1-2% föroreningar.

Den nya katalysatorn är så tuff att den kan göra biodiesel av lågvärdiga ingredienser, känd som råvara, som innehåller upp till 50 % föroreningar.

Det är så effektivt att det kan fördubbla produktiviteten i tillverkningsprocesser för att omvandla skräp som matrester, mikroplaster och gamla däck till högvärdiga kemiska prekursorer som används för att göra allt från mediciner och gödningsmedel till biologiskt nedbrytbara förpackningar.

Katalysatordesignen rapporteras i en ny studie från ett internationellt samarbete ledd av RMIT University, publiceras i Naturkatalys .

Co-lead utredare professor Adam Lee, RMIT, sade att konventionella katalysatorteknologier var beroende av råmaterial med hög renhet och krävde dyra tekniska lösningar för att kompensera för deras dåliga effektivitet.

"Kvaliteten på det moderna livet är kritiskt beroende av komplexa molekyler för att upprätthålla vår hälsa och tillhandahålla näringsrik mat, rent vatten och billig energi, " sa Lee.

"Dessa molekyler produceras för närvarande genom ohållbara kemiska processer som förorenar atmosfären, mark och vattendrag.

"Våra nya katalysatorer kan hjälpa oss att få ut det fulla värdet av resurser som vanligtvis skulle gå till spillo - från härsken använd matolja till risskal och grönsaksskal - för att främja den cirkulära ekonomin.

"Och genom att radikalt öka effektiviteten, de skulle kunna hjälpa oss att avsevärt minska miljöföroreningarna från kemisk tillverkning och föra oss närmare den gröna keminrevolutionen."

Katalysatorsvamp:främjar grön kemi

För att göra den nya ultraeffektiva katalysatorn, teamet tillverkade en mikronstor keramisk svamp (100 gånger tunnare än ett människohår) som är mycket porös och innehåller olika specialiserade aktiva komponenter.

Molekyler kommer initialt in i svampen genom stora porer, där de genomgår en första kemisk reaktion, och passerar sedan in i mindre porer där de genomgår en andra reaktion.

Det är första gången en multifunktionell katalysator har utvecklats som kan utföra flera kemiska reaktioner i sekvens inom en enda katalysatorpartikel, och det kan bli en game changer för den globala katalysatormarknaden på 34 miljarder USD.

Co-lead utredare professor Karen Wilson, också från RMIT, sade den nya katalysatordesignen efterliknade hur enzymer i mänskliga celler koordinerade komplexa kemiska reaktioner.

"Katalysatorer har tidigare utvecklats som kan utföra flera samtidiga reaktioner, men dessa tillvägagångssätt ger liten kontroll över kemin och tenderar att vara ineffektiva och oförutsägbara, " sa Wilson.

"Vårt bioinspirerade tillvägagångssätt ser till naturens katalysatorer - enzymer - för att utveckla ett kraftfullt och exakt sätt att utföra flera reaktioner i en bestämd sekvens.

"Det är som att ha en produktionslinje i nanoskala för kemiska reaktioner - allt inrymt i en, liten och supereffektiv katalysatorpartikel."

Gör-det-själv-diesel:stödjer distribuerad biobränsleproduktion

De svampliknande katalysatorerna är billiga att tillverka, använder inga ädelmetaller.

Att göra biodiesel med låg koldioxidhalt av jordbruksavfall med dessa katalysatorer kräver inte mycket mer än en stor behållare, lite försiktig uppvärmning och omrörning.

Det är en lågteknologi, lågkostnadsstrategi som skulle kunna främja distribuerad biobränsleproduktion och minska beroendet av fossilbränslebaserad diesel.

"Detta är särskilt viktigt i utvecklingsländer där diesel är det primära bränslet för att driva hushållens elgeneratorer, " sa Wilson.

"Om vi ​​kunde ge bönder möjlighet att producera biodiesel direkt från jordbruksavfall som riskli, cashewnötter och ricinfröskal, på sin egen mark, detta skulle hjälpa till att ta itu med de kritiska frågorna om energifattigdom och koldioxidutsläpp."

Medan de nya katalysatorerna kan användas omedelbart för produktion av biodiesel, med ytterligare utveckling skulle de lätt kunna skräddarsys för att producera flygbränsle från jordbruks- och skogsbruksavfall, gamla gummidäck, och även alger.

Nästa steg för RMIT School of Sciences forskargrupp är att skala upp katalysatortillverkningen från gram till kilogram och anta 3D-utskriftstekniker för att påskynda kommersialiseringen.

"Vi hoppas också kunna utöka utbudet av kemiska reaktioner till att inkludera ljus och elektrisk aktivering för banbrytande teknologier som artificiell fotosyntes och bränsleceller, " sa Lee.

"Och vi vill arbeta med potentiella affärspartners för att skapa en rad kommersiellt tillgängliga katalysatorer för olika applikationer."