03.08.2020 - Tata Institute of Fundamental Research

Nanoschwämme wandeln Kohlendioxid in Treibstoff und Kunststoffabfälle in Chemikalien um

Zwei Probleme auf einen Schlag lösen

Feste Säuren gehören zu den wesentlichsten heterogenen Katalysatoren, die das Potenzial haben, umweltschädliche flüssige Säuren in einigen der wichtigsten Prozesse zu ersetzen, wie z.B. beim Cracken von Kohlenwasserstoffen, bei der Alkylierung sowie beim Abbau von Kunststoffabfällen und bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Brennstoff.

Die zwei bekanntesten festen Säuren sind kristalline Zeolithe und amorphe Aluminosilikate. Obwohl Zeolithe stark sauer sind, werden sie durch ihre inhärente Mikroporosität begrenzt, was zu einer extremen Diffusionsbeschränkung führt, während Alumosilikate zwar mesoporös sind, aber einen niedrigen Säuregehalt und eine mäßige Stabilität aufweisen. Daher ist es eine synthetische Herausforderung, feste Säuren zu entwerfen und zu synthetisieren, die sowohl starke Säuren wie Zeolithe als auch texturale Eigenschaften wie Alumosilikate aufweisen, die als "Amorphe Zeolithe" spekuliert werden, bei denen es sich idealerweise um stark saure amorphe Alumosilikate handelt.

Andererseits ist die Hauptursache des Klimawandels das atmosphärische Kohlendioxid, dessen Gehalt täglich steigt. Die Auswirkungen der globalen Erwärmung in Form von drastischen Veränderungen der Wettermuster sind bereits deutlich sichtbar und alarmierend. Es besteht daher ein großer Bedarf, Wege zu finden, um die Kohlendioxidwerte zu senken, entweder durch Sequestrierung oder durch Umwandlung in Treibstoff. Auf der anderen Seite ist eine übermäßige Menge an Kunststoffabfällen zu einem ernsthaften Umweltproblem geworden. In den meisten Ländern fallen täglich Tausende von Tonnen Kunststoffabfälle an.

In dieser Arbeit beschäftigten sich die Forscher mit diesen beiden Problemen auf einen Schlag, indem sie Nanofeststoffsäuren entwickelten, die Kohlendioxid direkt in Treibstoff (Dimethylether) und Kunststoffabfälle in Chemikalien (Kohlenwasserstoffe) umwandeln.

Unter Verwendung der Techniken der bikontinuierlichen Mikroemulsionstropfen als weiche Schablone synthetisierte die Gruppe von Prof. Vivek Polshettiwar am Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, ein saures amorphes Aluminosilikat (AAS), das als "Amorphe Zeolithe" mit einer Nanoschwamm-Morphologie spekuliert wurde und sowohl zeolithische (starke Säure) als auch amorphe Aluminosilikat-Eigenschaften (mesoporöse hohe Oberfläche) aufweist. Das Vorhandensein von zeolithartigem Brückensilanol in der AAS wurde durch verschiedene katalytische Reaktionen (Styroloxid-Ringöffnung, Vesidryl-Synthese, Friedel-Crafts-Alkylierung, Jasmininaldehyd-Synthese, m-Xylol-Isomerisierung und Cumol-Cracking) nachgewiesen, was stark saure Stellen und größere Porengrößen erfordert. Die Synergie zwischen starkem Säuregehalt und Zugänglichkeit spiegelte sich in der Tatsache wider, dass die AAS eine bessere Leistung zeigte als moderne Zeolithe und amorphe Alumosilikate. Dies wurde auch durch detaillierte Festkörper-NMR-Studien bestätigt. So war klar, dass das Material stark saure zeolithartige Brückensilanolstellen besitzt, obwohl die Materialien nicht kristallin, sondern amorph sind. Sie fallen daher in eine neue Klasse von Materialien an der Grenzfläche zwischen kristallinem Zeolith und amorphem Alumosilikat.

Auf diese Weise könnte der Ansatz die Entwicklung einer Feststoffsäure-Katalyse für den Kunststoffabbau sowie die Umwandlung von Kohlendioxid zu Brennstoff ermöglichen, und zwar mit den signifikanten Raten, Größenordnungen und Stabilitäten, die erforderlich sind, um den Prozess wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. Das Protokoll hat aufgrund seiner überlegenen Aktivität und Stabilität wissenschaftliche und technologische Vorteile.

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