Zeoliter är extremt porösa material:Tio gram kan ha en inre yta som är lika stor som en fotbollsplan. Deras hålrum gör dem användbara för att katalysera kemiska reaktioner och därmed spara energi. Ett internationellt forskargrupp har nu gjort nya rön om vattenmolekylers roll i dessa processer. En viktig tillämpning är omvandling av biomassa till biobränsle.

Bränsle från biomassa anses vara klimatneutralt, även om det fortfarande behövs energi för att producera den:De önskade kemiska reaktionerna kräver höga temperaturer och tryck.

"Om vi ​​ska klara oss utan fossila energikällor i framtiden och effektivt använda storskalig biomassa, vi måste också hitta sätt att minska energin som krävs för att bearbeta biomassan, säger Johannes Lercher, professor för kemisk teknik vid tekniska universitetet i München (TUM) och direktör för Institute for Integrated Catalysis vid Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington (USA).

Arbetar tillsammans med ett internationellt forskargrupp, Lercher har tittat närmare på vattenmolekylernas roll i reaktioner inuti zeolitens porer, som är mindre än en nanometer stor.

Allt börjar med syror

En egenskap hos en syra är att den lätt donerar protoner. Således, när det tillsätts i vatten, saltsyra delas upp i negativt laddade kloridjoner, som de som finns i bordsaltkristaller, och positivt laddade protoner som fäster sig vid vattenmolekylerna. Detta resulterar i en positivt laddad hydroniumjon, som ser ut att vidare föra vidare denna proton, till exempel till en organisk molekyl.

När den organiska molekylen "tvingas" acceptera en proton, den försöker stabilisera sig själv. Således, en alkohol kan ge upphov till en molekyl med dubbelbindning - ett typiskt reaktionssteg på vägen från biomassa till biobränsle. Zeolitväggarna stabiliserar övergångstillstånd som uppstår under konvertering och, Således, hjälper till att minimera mängden energi som krävs för att reaktionen ska inträffa.

Zeoliter fungerar som syror

Zeoliter innehåller syreatomer i sin kristallstruktur som redan bär en proton. Liksom molekylära syror bildar de hydroniumjoner genom växelverkan med vatten.

Dock, medan hydroniumjoner sprids i vatten, de förblir nära förknippade med zeoliten. Kemisk förbehandling kan variera antalet aktiva centra och Således, fastställa en viss densitet av hydroniumjoner i zeolitens porer.

Den ideala zeoliten för varje reaktion

Genom att systematiskt variera storleken på hålrummen, tätheten av de aktiva platserna och mängden vatten, forskargruppen kunde belysa porstorlekarna och koncentrationerna av vatten som bäst katalyserade utvalda exempelreaktioner.

"I allmänhet, det är möjligt att öka reaktionshastigheten genom att göra porerna mindre och öka laddningstätheten, "Johannes Lercher förklarar." Men denna ökning har sina gränser:När saker blir för trångt och avgifterna ligger för nära varandra, reaktionshastigheten sjunker igen. Detta gör det möjligt att hitta de optimala förhållandena för varje reaktion. "

"Zeoliter är i allmänhet lämpliga som nanoreaktorer för alla kemiska reaktioner vars reaktionspartners passar in i porerna och i vilka en syra används som katalysator, "understryker Lercher." Vi är i början av en utveckling med potential att öka molekylernas reaktivitet även vid låga temperaturer och, Således, att spara betydande mängder energi vid produktion av bränslen eller kemikalier. "