Även om vi vanligtvis tänker på etanol som bränsle för bensintanken, det kan också omvandlas till värdefulla kemikalier som kan hjälpa till att ersätta en mängd olika petroleumbaserade produkter utöver bara bensin. Dock, Att utveckla etanol för ett bredare spektrum av industrier kräver kemiska processer som är mer effektiva än vad som är tillgängligt idag.

Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har utvecklat en ny katalysator som omvandlar etanol till C5+ ketoner som kan fungera som byggstenar för allt från lösningsmedel till flygbränsle. I en ny tidning, de beskriver denna genombrottskemi och mekanismen bakom den.

One-pot uppgradering av etanol till C5+ ketoner

Katalysatorer är nödvändiga för att påskynda kemiska omvandlingar som omvandlar etanol till andra föreningar. För att vara kommersiellt gångbar, en katalysator måste vara mycket aktiv samtidigt som den selektivt genererar de önskade kemiska produkterna – med andra ord, den måste på ett tillförlitligt sätt ta fram exakt det sökta materialet. Forskare letar efter katalysatorer för etanol som kan spinna av de rätta föreningarna effektivt och gör det upprepade gånger. I kemi som kräver många reaktionssteg i en lång kaskad av kemiska reaktioner mot den slutliga slutprodukten, detta kan vara en stor order.

Katalysatorn som utvecklats vid PNNL kondenserar flera reaktioner i ett enda steg. Etanol möter katalysatorn under hög temperatur (370°C, eller 698°F) och tryck (300 pund per kvadrattum). Det omvandlas sedan snabbt till produkter som innehåller mer än 70 procent C5+ ketoner. Katalysatorn verkar också robust, förblir stabil över 2, 000 timmars användning. Slutmålet är att ha en katalysator som kan hålla i 2 till 5 år.

För sin forskning, forskarna kombinerade zinkoxid och zirkoniumdioxid för katalysatorn. Sådana blandade oxidkatalysatorer uppnår vanligtvis inte sådan selektivitet, spinner ut för många oönskade biprodukter istället.

Men forskarna lade till en annan nyckelingrediens till mixen:palladium. Under processen, palladium och zink bildade en legering som betedde sig mycket annorlunda än dess beståndsdelar, katalyserar endast de nödvändiga reaktionsstegen som leder till bildningen av C5+-ketoner.

"Det nya är att producera dessa ketoner genom att bilda legeringen mellan palladium och zink under reaktionen, sade Karthi Ramasamy, studie medförfattare och senior forskningsingenjör vid PNNL. "Så många mellansteg händer alla på denna ena katalysator - varje steg kräver en annan komponent i katalysatorn för att aktivera den."

En katalysator, flexibel drift

Katalysatorn kan användas för att göra 2-pentanon och/eller 2-heptanon, som används i lösningsmedel för elektronikindustrin och som vanligtvis härrör från petroleum. C5+-ketoner kan också fungera som mellanprodukter för att producera bränsleblandningsmaterial, smörjmedel, flygbränsle, och dieselbränsle. Att generera sådana produkter från förnybar etanol snarare än fossila resurser kan hjälpa till att minska utsläppen av växthusgaser och öka energisäkerheten.

"Denna katalysator är mycket flexibel, " sa Ramasamy. "Vi kan göra justeringar av driftsförhållandena, som temperatur och tryck, för att uppnå önskad produktsammansättning."

Processen beskrivs ytterligare i artikeln "Direct Catalytic Conversion of Ethanol to C5+ Ketones:Role of Pd-Zn Alloy on Catalytic Activity and Stability, " publicerad i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .