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Neuer Reaktionsmechanismus aufgedeckt Kraftvolle Katalyse zur Cellulose-Spaltung

| Autor/ Redakteur: Svenja Ronge* / Christian Lüttmann

Für Biotreibstoffe aus Cellulose muss das langkettige Molekül zunächst in seine Grundbausteine gespalten werden. Dass mechanische Kräfte dabei helfen, war bereits bekannt. Nun haben Forscher auch herausgefunden, wie genau die Krafteinwirkung den Reaktionsmechanismus beeinflusst. Dies könnte effizientere und umweltfreundlichere Verfahren für die Umwandlung von Cellulose ermöglichen.

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Die Molekülstruktur der Cellulose, auf die Nanowissenschaftler mechanische Kraft ausübten (grüne Pfeile). Dadurch veränderte sich die Hydrolyse-Reaktion stark.
Die Molekülstruktur der Cellulose, auf die Nanowissenschaftler mechanische Kraft ausübten (grüne Pfeile). Dadurch veränderte sich die Hydrolyse-Reaktion stark.
(Bild: Saeed Amirjalayer et al./Angew Chem)

Münster – Eine große globale Herausforderung ist es, nachwachsende Rohstoffe effizient einzusetzen, um in Zukunft den steigenden Bedarf an Energie und Chemikalien abzudecken. Biomasse ist dabei eine vielversprechende Alternative zu den fossilen kohlenstoffreichen Rohstoffen wie Kohle oder Erdöl, die bisher für die Herstellung von Kraftstoffen und Grundchemikalien entscheidend sind. Den größten Anteil an Biomasse als natürlichem Speicher für Kohlenstoffverbindungen hat die Cellulose. Um ihr gesamtes Potenzial zu entfalten, muss allerdings die kettenförmige Struktur der Cellulose aufgebrochen werden.

Dies kann durch eine Hydrolyse-Reaktion erfolgen, die aber aufgrund der atomaren Struktur der Cellulose nur schwer möglich ist. Wissenschaftlern der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben nun einen neuen Reaktionsmechanismus entdeckt, mit dem Cellulose effizient umgewandelt werden kann – und zwar durch den Einsatz von mechanischer Kraft. Diese so genannte mechano-katalytische Reaktion könnte ein neues umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren für die Umwandlung von Biomasse etablieren. Die Ergebnisse wurden von Nanowissenschaftlern um Dr. Saeed Amirjalayer und Prof. Dr. Harald Fuchs der WWU und um Prof. Dr. Dominik Marx der Ruhr-Universität Bochum erzielt.

Cellulose für die Treibstoffherstellung

Bei der Hydrolyse-Reaktion wird die langkettige Cellulose in kleinere molekulare Bausteine aufgespalten. Aus diesen molekularen Bausteinen lassen sich Treibstoffe oder chemische Grundstoffe herstellen. Auf der Suche nach Möglichkeiten, um die Hydrolyse-Reaktion effizienter zu machen, fanden Forscher bereits in früheren Studien experimentelle Hinweise darauf, dass mechanische Kräfte die Umwandlung beeinflussen.

Bisher war es noch nicht gelungen, auf atomarer Ebene zu zeigen, wie genau dieser Einfluss während der einzelnen Reaktionsschritte aussieht. Allerdings ist es nur so möglich, noch effizientere und ressourcenschonendere Prozesse dieser Art zu entwickeln. Die neue Studie aus Münster zeigt nun, dass der Einsatz von mechanischer Kraft auf die Cellulose-Moleküle oberhalb einer Grenze die Reaktion signifikant beeinflusst.

Physische Kraft zur leichteren Molekülspaltung

Die Nanowissenschaftler führten dazu atomistische Rechnungen durch. In diesen Berechnungen simulierten sie die einzelnen Schritte der Hydrolyse im Detail und untersuchten, wie sich eine auf die Molekülstruktur ausgeübte Zugkraft auf die Reaktion auswirkt. Die Wissenschaftler erstellten Energieprofile, die jeweils den Energieverlauf entlang des Reaktionswegs mit und ohne den Einfluss der mechanischen Kräfte darstellten.

Es zeigte sich: Übten die Forscher mechanische Kraft auf das molekulare Gerüst der Cellulose aus, veränderte das stark die Hydrolyse-Reaktion. Zum einen war die benötigte Energie um ein Vielfaches geringer. Zum anderen machte eine erhöhte Zugkraft zwei von ursprünglich drei Reaktionsschritten überflüssig. „Mithilfe unserer atomistischen Rechnungen konnten wir explizit den Einfluss einer mechanischen Zugkraft auf den Reaktionsmechanismus untersuchen“, sagt Erstautor Dr. Saeed Amirjalayer, Gruppenleiter am Physikalischen Institut. „Dies ermöglichte es uns, einen bisher unbekannten und vor allem hocheffizienten Reaktionsweg für die Umwandlung von Cellulose aufzuzeigen.“

In Zukunft leichteres mechanisches Recycling?

Die neuen Ergebnisse bestätigen nicht nur die experimentellen Beobachtungen, sondern weisen darüber hinaus das Potenzial auf, molekulare Prozesse mithilfe von mechanischer Kraft zu steuern. „Wir konnten unter anderem zeigen, dass durch mechanische Zugkraft die so genannte Protonenaffinität in Cellulose regio-selektiv erhöht werden kann“, betont Amirjalayer.

Die Wissenschaftler erhoffen sich, dass ihre Ergebnisse effiziente und umweltfreundliche Verfahren für die Umwandlung von Cellulose ermöglichen. Darüber hinaus könnten basierend auf den Erkenntnissen der Forscher neuartige mechano-responsive Verbindungen, zum Beispiel Kunststoffe, entwickelt werden. Solche Kunststoffe ließen sich nach ihrer Anwendung leicht durch mechanische Kräfte recyceln.

Originalpublikation: S. Amirjalayer, H. Fuchs, D. Marx: Understanding the Mechanocatalytic Conversion of Biomass: A Low‐Energy One‐Step Reaction Mechanism by Applying Mechanical Force. Angewandte Chemie Int. Ed. (2019); DOI: 10.1002/anie.201811091

* S. Ronge, Westfälische-Wilhelms Universität Münster, 48149 Münster

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