pte20170629028 Umwelt/Energie, Forschung/Entwicklung

Forscher optimieren Sprit-Gewinnung aus Pflanzen

Komplizierte Umwandlung von Lignin in Treibstoff effizienter realisiert


PSI-Forscher Patrick Hemberger (Foto: Scanderbeg Sauer Photography)
PSI-Forscher Patrick Hemberger (Foto: Scanderbeg Sauer Photography)

Villigen/Zürich (pte028/29.06.2017/11:30) Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) http://psi.ch haben zusammen mit Kollegen der ETH Zürich http://ethz.ch eine Methode gefunden, die bis dato unsichtbaren Zwischenprodukte bei der Umwandlung von Lignin in Treibstoffe zu identifizieren. Dadurch lassen sich Herstellungsverfahren in Zukunft gezielter verbessern. Die Studie erscheint in der neuesten Ausgabe des Fachjournals "Nature Communications".

Großes Molekül aufgespalten

In dem neuen Verfahren wird das große Molekül Lignin - die Forscher verwendeten als Modell den Lignin-Baustein Guaiacol - bei rund 400 Grad Celsius und ohne Sauerstoff in kleinere Moleküle aufgespalten. Dabei kommt ein Katalysator zum Einsatz - ein Stoff, der die Reaktion beschleunigt, ohne verbraucht zu werden. In diesem Fall nutzten die Forscher einen Zeolith, ein Material mit vielen Poren und einer daher großen Oberfläche, an der die Reaktion stattfinden kann.

Zunächst entstehen für Sekundenbruchteile sogenannte Intermediate - gasförmige Zwischenprodukte, die mit dem Wasser und Sauerstoff der Umgebung sofort weiter zu Phenolen und anderen stabilen Endprodukten reagieren. "Diese Intermediate kann man mit herkömmlichen Methoden nicht beobachten. Vor allem kann man sie kaum unterscheiden, weil ihre Moleküle oft aus den gleichen Atomen bestehen, die nur verschieden angeordnet sind", sagt Patrick Hemberger, Strahllinienwissenschaftler an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI.

Verfahren genauestens analysiert

Laut Hemberger wäre es von großem Vorteil, diese Zwischenprodukte und ihr Mengenverhältnis zu bestimmen: "Dann ließe sich auch das Verfahren so verändern, dass bestimmte Intermediate bevorzugt erzeugt werden und am Ende die Ausbeute des gewünschten Produkts steigt." Mittels sogenannter Vakuum-Ultraviolett-Synchrotronstrahlung und einer Kombination aus Massenspektrometrie und Photoelektronenspektroskopie ist dies nun gelungen.

Die speziellen Lichtstrahlen, die die SLS erzeugt, schlagen Elektronen aus den Molekülen heraus, die dann mit speziellen Verfahren beobachtet werden. "Die beobachteten Eigenschaften dieser Elektronen gleichen einem Fingerabdruck, sie sind für jede Substanz einzigartig", berichtet Hemberger. Bisher wurde bei solchen katalytischen Verfahren per "cook and look" gearbeitet, wie der Chemiker sagt.

Lignin steckt zum Beispiel in allen verholzten Pflanzen und ist mit rund 20 Mrd. Tonnen Jahresaufkommen neben Zellulose und Chitin die häufigste organische Substanz auf der Erde. Es besteht zum größten Teil aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in einem sehr komplexen und großen Molekül, das aus kleineren Verbindungen aufgebaut ist, wie man sie zur Herstellung von Treibstoff und Phenolen braucht.

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