Flyget står för cirka 2,5 % av de globala koldioxidutsläppen. För att kraftigt minska sina utsläpp, USA:s kommersiella flygsektor behöver nya metoder för att tillverka hållbart flygbränsle. Kredit:Ross Parmly/Unsplash
Dekarbonisering av lufttransporter är avgörande för att uppfylla amerikanska klimatmål och förbättra landets energiekonomi. Men teknik som förvandlar bilar – som elmotorer och vätgasbränslen – är svåra att implementera i flygplan.
Ett batteri som är kraftfullt nog att driva ett flygplan skulle vara oöverkomligt tungt. Vätgas är bara en fjärdedel så energität som flygbränsle (och många gånger dyrare) men skulle kräva stora komplexa lagringstankar ombord. För att kraftigt minska sina utsläpp, USA:s kommersiella flygsektor kommer att behöva nya metoder för att tillverka hållbart flygbränsle.
Den väletablerade, kostnadskonkurrenskraftig etanolmarknad ger en möjlighet att flytta sammansättningen av flygbränsle och andra bränsleprodukter bort från petroleum. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Bioenergy Technologies Office fokuserar på att utveckla industriellt livskraftiga bränslen med förnybar biomassa, inklusive nationella laboratorieinsatser för att producera drop-in biobränslen som är kompatibla med nuvarande flygplanssystem.
I det första steget av en flerstegs etanol-till-jet-bränsleprocess utvecklad av DOE:s Oak Ridge National Laboratory, en katalysator används för att omvandla etanol till butenrik C 3+ olefiner, viktiga intermediärer som sedan kan förädlas till flygbränslen. Ytterligare två steg - oligomerisering och hydrobehandling - omvandlar dessa mellanprodukter till de flytande kolvätena som används som bränsle.
ORNL:s Zhenglong Li ledde ett team med uppgift att förbättra den nuvarande tekniken för att omvandla etanol till C 3+ olefiner och demonstrerade en unik kompositkatalysator som upphäver nuvarande praxis och driver ner kostnaderna. Forskningen publicerades i ACS-katalys .
Det finns två utmaningar som hindrar nuvarande omvandlingstekniker från en bredare användning:lågt olefinutbyte och höga produktionskostnader. Också, nya metoder för omvandling kräver ytterligare väte, ytterligare en kostnadsbörda. Poängen? Kostnaden för att uppgradera etanol måste sänkas dramatiskt för att konkurrera med petroleum.
Li är på ett uppdrag att göra om standardprocessen, producerar C 3+ olefiner med högt utbyte och utan ytterligare väte. När man studerar de mindre reaktionerna i detta steg, Lis team nollade på en potentiell lösning.
"Medan vi ser det här som en process, från kemisidan när du zoomar in, det finns flera elementära steg, " sa han. "I det första steget, vi genererar internt väte – kan vi använda den låga koncentrationen av väte nedströms där det behövs och undvika att använda ytterligare väte? Att göra detta, vi måste utveckla nya katalysatorer; de nuvarande standarderna kan inte göra denna omvandling vid den relativt höga temperatur som krävs."
Teamet utvecklade och testade en sammansatt katalysator - en zink-yttrium beta-katalysator kombinerad med en enatoms legeringskatalysator. ORNL materialforskare, inklusive Lis medförfattare Lawrence Allard, banade väg för användningen av enatomskatalysatorer, som introducerades i ett Nature Chemistry-dokument från 2011.
"Enatomslegeringar används för selektiv hydrering vid låg temperatur, men ingen har ännu rapporterat dess användning i denna typ av hög temperatursänkning, " sa Li. "Vi vet också att vi lätt kan överhydrera dessa molekyler, som inte skulle kunna användas. Det kritiska här var att modulera förhållandet mellan väte och butadien som genererades under reaktionen."
Processen var en framgång:kompositkatalysatorn uppnådde en etanol till C 3+ olefinreaktion utan externt väte och skiftade utbytet.
"Vi uppnår 78 % selektivitet vid 94 % etanolomvandling, den högst rapporterade bland litteraturen, " sa Li.
Forskningen är den första för att kombinera dessa katalysatorer och ger ny grundläggande förståelse för hur dessa material fungerar. Lis team kommer att driva tekniken ytterligare.
"Vi kommer att fortsätta att optimera denna process för att uppnå ännu större katalysatorselektivitet och högre olefinutbyte, " sade han. "Flygindustrin kräver energitäta flytande kolvätebränslen. Denna nya katalysatorteknologi är ett viktigt steg mot att uppnå förnybar, hållbart flygbränsle genom etanolkonvertering."
