21.08.2020 - Washington State University

Ein Schlüssel zu billigeren erneuerbaren Brennstoffen: Eisen vor dem Rosten bewahren

Billiges und leicht verfügbares Element könnte für die kostengünstige Umwandlung von Biokraftstoffen verwendet werden

Forscher der Washington State University haben einen wichtigen ersten Schritt zur wirtschaftlichen Umwandlung pflanzlicher Materialien in Brennstoffe gemacht: Eisen vor dem Rosten zu bewahren.

Die Forscher haben herausgefunden, wie man verhindern kann, dass Eisen in wichtigen chemischen Reaktionen rostet, die für die Umwandlung von pflanzlichen Materialien in Kraftstoffe erforderlich sind, so dass das billige und leicht verfügbare Element für die kostengünstige Umwandlung von Biokraftstoffen genutzt werden könnte.

Unter der Leitung von Yong Wang, Voiland Distinguished Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering, und Shuai Wang vom State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surfaces an der Universität Xiamen berichten die Forscher über ihre Arbeit auf der Titelseite der Juli-Ausgabe von ACS Catalysis.

Forscher haben versucht, effizientere Wege zu finden, um Kraftstoffe und Chemikalien aus erneuerbaren pflanzlichen Ressourcen wie Algen, Ernteabfällen oder Waldrestbeständen herzustellen. Diese biobasierten Brennstoffe sind jedoch tendenziell teurer und haben eine geringere Energiedichte als fossile Brennstoffe.

Eine große Hürde bei der Verwendung von pflanzlichen Rohstoffen als Brennstoff ist, dass ihnen der Sauerstoff entzogen werden muss, bevor sie verwendet werden können.

"Sie wollen den billigsten Katalysator verwenden, um den Sauerstoff zu entfernen", sagte Jean-Sabin McEwen, Koautor der Arbeit und außerordentlicher Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. "Eisen ist eine gute Wahl, weil es im Überfluss vorhanden ist", so McEwen.

Katalysatoren auf Eisenbasis sind sehr vielversprechend, wenn es darum geht, Sauerstoff zu entfernen, aber da die Pflanzenmaterialien auch Sauerstoff enthalten, oxidiert oder rostet das Eisen während der Reaktion, und dann hört die Reaktion auf zu funktionieren. Der Trick besteht darin, das Eisen dazu zu bringen, den Sauerstoff aus den Pflanzen zu entfernen, ohne so viel Sauerstoff aufzunehmen, dass die Reaktion stoppt.

In ihrer Arbeit verankerten die Forscher ihren Eisenkatalysator mit einer Kohlenstoffstruktur, die so modifiziert wurde, dass sie Stickstoff enthält. Die Struktur modifiziert die Eigenschaften des Eisens, so dass es weniger mit Sauerstoff in Wechselwirkung tritt, während es weiterhin die erforderliche Arbeit leistet, um Sauerstoff aus dem Pflanzenmaterial zu entfernen. Die Forscher benutzten den Stickstoff als eine Art Drehregler, um die Wechselwirkung des Eisens mit dem Sauerstoff einzustellen.

In einer weiteren kürzlich veröffentlichten Arbeit in Chemical Science unter der Leitung von Yong Wang und Junming Sun, einer Forschungsassistenzprofessorin an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering, entdeckten die Forscher einen langlebigen Katalysator auf Eisenbasis mit einer dünnen Kohlenstoffgraphenschicht um ihn herum. Die Graphenschicht schützte das Eisen, während Cäsium-Ionen es den Forschern ermöglichten, seine elektronischen Eigenschaften für die gewünschte Reaktion maßzuschneidern.

"Wir haben die Sauerstoffreaktion heruntergeregelt", sagte Sun. "Durch den Schutz des Eisens und die Abstimmung seiner Eigenschaften liefern diese Arbeiten die wissenschaftliche Grundlage für die Nutzung des auf der Erde reichlich vorhandenen und kostengünstigen Eisens als Katalysatoren für die Umwandlung von Biomasse".

Die Forscher arbeiten nun daran, die Chemie der Reaktionen besser zu verstehen, so dass sie die Reaktivität der Eisenkatalysatoren weiter steigern können. Sie werden ihre Katalysatoren auch mit realen Ausgangsstoffen anstelle der für die Studie verwendeten Modellverbindungen ausprobieren müssen. Die auf den Feldern der Landwirtschaftsbetriebe gesammelten Ausgangsstoffe werden in ihrer Zusammensetzung komplizierter sein und viele Verunreinigungen enthalten, und die Forscher müssten ihren Katalysator auch in eine Reihe von Schritten integrieren, die im Umwandlungsprozess verwendet werden.

"Wir versuchen, die Umwandlung so wirtschaftlich wie möglich zu gestalten", sagte Wang. "Der Schlüssel liegt darin, robuste Katalysatoren zu finden, die auf kostengünstigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Elementen basieren. Dies ist ein erster Schritt in diese Richtung".

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