Wasser in Zeolithen hilft bei der Umwandlung von Biomasse in Biosprit
Zeolithe sind extrem poröse Materialien: Zehn Gramm davon können eine innere Oberfläche von der Größe eines Fußballfeldes besitzen. Ihre Hohlräume lassen sich nutzen, um chemische Reaktionen zu katalysieren und damit Energie zu sparen. Ein internationales Forschungsteam hat nun neue Erkenntnisse über die Rolle von Wassermolekülen in diesen Prozessen gewonnen. Eine wichtige Anwendung ist die Umwandlung von Biomasse in Biosprit.
Treibstoff aus Biomasse gilt zwar als klimaneutral, dennoch benötigt man
Energie um ihn herzustellen: Erst höhere Temperaturen und Druck sorgen
dafür, dass die gewünschten chemischen Reaktionen stattfinden.
„Wenn
wir in Zukunft auf fossile Energieträger verzichten und Biomasse im
großen Stil effizient nutzen wollen, dann müssen wir auch Wege finden,
den Energiebedarf bei der Verarbeitung zu reduzieren“, sagt Johannes
Lercher, Professor für Technische Chemie an der Technischen Universität
München (TUM) und Direktor am Institute for Integrated Catalysis am
Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington (USA).
Zusammen
mit einem internationalen Forschungsteam hat der Chemiker sich jetzt
die Rolle von Wassermolekülen bei Reaktionen innerhalb der nur wenige
Nanometer großen Poren in Zeolithen genauer angesehen.
Das Saure an der Säure
Eine
Säure zeichnet sich dadurch aus, dass sie bereitwillig Protonen abgibt.
Salzsäure spaltet sich so auf in ein negativ geladenes Chlorid-Anion,
wie es auch im Kochsalzkristall vorkommt, und ein positiv geladenes
Proton, das in Wasser an Wassermoleküle andockt. Es entsteht so ein
positiv geladenes Hydronium-Ion, das dieses Proton aber auch gerne
wieder weiter reicht, beispielsweise an ein organisches Molekül.
Wird
diesem ein Proton „aufgedrängt“, versucht es sich zu stabilisieren. Aus
einem Alkohol kann so ein Molekül mit einer Doppelbindung werden – ein
typischer Reaktionsschritt auf dem Weg von Biomasse zu Biosprit. Die
Wände von Zeolithen stabilisieren die bei der Umwandlung auftretenden
Übergangszustände und helfen so, den Energieaufwand für die Reaktion zu
minimieren.
Ein Zeolith wird sauer
In Zeolithen
gibt es Sauerstoffatome im Kristallverband, die bereits ein Proton
besitzen. Im Zusammenspiel mit Wassermolekülen bilden sie, wie
molekulare Säuren, Hydronium-Ionen.
Während die sich im Wasser
jedoch verteilen, sind sie im Zeolithen fest gebunden. Durch chemische
Vorbehandlung kann man die Zahl dieser aktiven Stellen variieren und so
in den Poren des Zeolithen eine bestimmte Dichte von Hydronium-Ionen
herstellen.
Der optimale Zeolith für jede Reaktion
Das
Forschungsteam variierte nun systematisch die Größe der Hohlräume, die
Dichte der aktiven Zentren und die Wassermenge. So konnte es zeigen,
welche Porengröße und welche Wassermenge ausgewählte Beispielreaktion am
besten katalysiert.
„Grundsätzlich kann man die
Reaktionsgeschwindigkeit steigern, indem man die Poren enger macht und
die Ladungsdichte erhöht“, erklärt Johannes Lercher. „Diese Steigerung
hat allerdings Grenzen: Wenn es zu eng wird und die Ladungen zu dicht
nebeneinander sind, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit wieder ab. Für
jede Reaktion kann man so die optimalen Bedingungen finden.“
„Zeolithe
sind für alle chemischen Reaktionen geeignet, deren Reaktionspartner in
diese Poren hineinpassen und bei denen eine Säure als Katalysator
eingesetzt wird“, betont Lercher. „Wir stehen hier ganz am Anfang einer
Entwicklung die das Potenzial hat, die Reaktivität von Molekülen auch
bei niedrigen Temperaturen deutlich zu erhöhen und damit bei der
Gewinnung von Kraftstoffen oder chemischen Substanzen in erheblichem
Umfang Energie einzusparen.“
Publikation: Niklas
Pfriem, Peter H. Hintermeier, Sebastian Eckstein, Sungmin Kim, Qiang
Liu, Hui Shi, Lara Milakovic, Yuanshuai Liu, Gary L. Haller, Eszter
Baráth, Yue Liu, Johannes A. Lercher Role of the ionic environment in enhancing the activity of reacting molecules in zeolite pores Science, May 28, 2021: Vol. 372, Issue 6545, pp. 952-957 – DOI: 10.1126/science.abh3418