Фото: Иллюстрация оптимизированного цеолитного катализатора NbAlS-1, который обеспечивает высокоэффективную химическую реакцию для создания бутена, возобновляемого источника энергии, без расходования большого количества энергии на конверсию. Принадлежит: ORNL/Jill Hemman
Исследователи под руководством представителей из Университета Манчестера разработали катализатор, который преобразует биомассу в топливо с удивительно высокой эффективностью и предлагает новые возможности для производства передовых возобновляемых материалов.
Эксперименты по рассеиванию нейтронов, проводимые в Ок-Риджской национальной лаборатории, сыграли ключевую роль в определении химической и поведенческой динамики цеолитного катализатора. Цеолит - пористый материал, который часто используется в коммерческом катализе.
Оптимизированный катализатор, называемый NbAlS-1, преобразует сырье, полученное из биомассы, в легкие олефины - класс нефтехимических веществ, таких как этен, пропен и бутен, используемых для производства пластмасс и жидкого топлива. Новый катализатор имеет впечатляющий количественный выход бутена - более 99%, и требует значительно меньше энергии по сравнению со своими предшественниками. Исследование коллектива опубликовано в журнале Nature Materials.
«Промышленность в значительной степени зависит от использования легких олефинов из сырой нефти, но их производство может оказать негативное воздействие на окружающую среду". "Предшествующие катализаторы, которые производили бутен из очищенных оксигенированных соединений, требовали много энергии или чрезвычайно высоких температур. Новый катализатор напрямую преобразовывает сырцовые оксигенированные смеси, используя более мягкие условия, затрачивая значительно меньше энергии и менее агрессивно воздействуя на окружающую среду».
Биомасса - это органическое вещество, которое может быть преобразовано и использовано в качестве топлива или исходного сырья для производства различных материалов. Ее обычно получают из остатков сельскохозяйственных отходов, таких как древесина, трава и солома. После добавления к биомассе катализатора, она преобразуется в бутен - богатый энергией газ, используемый в химической и нефтяной промышленности для производства пластмасс, полимеров и жидкого топлива.
Как правило, химическая реакция требует огромного количества энергии, чтобы разорвать сильные связи, образованные из элементов, как углерод, кислород и водород. Некоторые из них могут потребовать температуры нагрева до 1000 °C и выше.
Для более экологичного производства исследователи применили катализатор, заменив атомы кремния цеолита на ниобий и алюминий. Замещение создает химически неуравновешенное состояние, которое способствует разделению связей и радикально уменьшает потребность в высоких степенях термического воздействия.
«Химические процессы, которые происходят на поверхности катализатора, могут быть чрезвычайно сложными. Если не проявлять внимательность в управлении такими параметрами, как давление, температура и концентрация, то выход бутена будет небольшим». «Чтобы получить высокую производительность, необходимо оптимизировать процесс, для чего требуется понимать, как этот процесс происходит».
Нейтроны хорошо подходят для изучения химических реакций этого типа благодаря их глубоко проникающим свойствам и их острой чувствительности к легким элементам, таким как водород. Спектрометр позволил исследователям точно определить, как протекали реакции, основываясь на вибрационных сигнатурах химических связей. Эта информация позволила воссоздать химическую последовательность, необходимую для оптимизации работы катализатора.
«Приходится проходить через множество проб и ошибок, связанных с разработкой такого высокопроизводительного катализатора, как тот, который был разработан». «С ростом понимания, как работают катализаторы, можно более эффективно управлять процессом проектирования материалов следующего поколения».
Источник: Oak Ridge National Laboratory
Написать комментарий
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности