Katalyse mit Zeolithen Biomasse effizienter in Biosprit umwandeln

Hochporöse Zeolith-Materialien helfen dabei, Biokraftstoffe herzustellen. Um den Energiebedarf für die Reaktionen zu senken, haben Forscher der Technischen Universität München die Abläufe in den Poren des Materials genauer untersucht und gezeigt, wie die Zeolithe optimal aufgebaut sein müssen.

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Technische Universität München Umwelthygiene

München – Treibstoff aus Biomasse ist die klimaneutrale Alternative zu erdölbasierten Kraftstoffen. Doch auch Biotreibstoffe müssen erst hergestellt werden, und dazu braucht es Energie – Energie aus regenerativen Quellen, wenn die Umweltbilanz am Ende halten soll, was das Label „Bio“ verspicht. Um die Ressourcen zu schonen, sollten die Produktionsverfahren möglichst energiesparsam sein.

„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 Washington. Zusammen mit einem internationalen Forscherteam hat der Chemiker sich jetzt die Rolle von Wassermolekülen bei Reaktionen innerhalb der nur wenige Nanometer großen Poren in Zeolithen genauer untersucht.

Ein saures Netzwerk aus Poren

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. An den Porenwänden werden beispielsweise chemische Übergangszustände von Molekülen stabilisiert, sodass Reaktionen leichter (bei geringerer Temperatur und niedrigerem Druck) ablaufen. Auch bei der Biosprit-Herstellung helfen Zeolithe, etwa wenn aus Alkohol-Molekülen energiereichere Verbindungen entstehen sollen.

Entscheidend hierbei ist die Funktion des Zeolithen als Säure, genauer gesagt als Protonen-Geber. Hierbei gibt es jedoch einen Unterschied zu klassischen molekularen Säuren wie Salzsäure (HCl). Während diese ihre Protonen ins Wasser abgeben, wo sie sich mit den Wassermolekülen zu positiv geladenen „Hydronium-Ionen“ verbinden und dort frei beweglich sind, bleiben die Hydronium-Ionen 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.

Oberflächenreaktionen auf Nanoteilchen

Im Takt der Katalyse

Der optimale Zeolith für jede Reaktion

Das Team um Lercher variierte nun systematisch die Größe der Hohlräume, die Dichte der aktiven Zentren und die Wassermenge. So zeigten die Forscher, welche Porengröße und welche Wassermenge eine ausgewählte Beispielreaktion am besten katalysiert.

„Grundsätzlich kann man die Reaktionsgeschwindigkeit steigern, indem man die Poren enger macht und die Ladungsdichte erhöht“, sagt 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.“

Das Vorhaben, Zeolithe weiter zu optimieren, ist für zahlreiche chemische Prozesse von Bedeutung. „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.“

Originalpublikation: 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

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