Los investigadores dirigidos por la Universidad de Manchester han diseñado un catalizador que convierte la biomasa en fuentes de combustible con una eficiencia notablemente alta y ofrece nuevas posibilidades para fabricar materiales renovables avanzados.
Los experimentos de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía desempeñaron un papel clave en la determinación de la dinámica química y de comportamiento de un catalizador de zeolita; la zeolita es un material poroso común utilizado en catálisis comercial, para proporcionar información para maximizar su rendimiento.
El catalizador optimizado, llamado NbAlS-1, convierte las materias primas derivadas de la biomasa en olefinas ligeras, una clase de productos petroquímicos como el eteno, el propeno y el buteno, utilizados para fabricar plásticos y combustibles líquidos. El nuevo catalizador tiene un rendimiento impresionante.de más del 99%, pero requiere significativamente menos energía en comparación con sus predecesores. La investigación del equipo se publica en la revista Materiales de la naturaleza .
"La industria depende en gran medida del uso de olefinas ligeras del petróleo crudo, pero su producción puede tener impactos negativos en el medio ambiente", dijo el autor principal, Longfei Lin, de la Universidad de Manchester. "Los catalizadores anteriores que producían buteno a partir de compuestos oxigenados purificados requeríanmucha energía, o temperaturas extremadamente altas. Este nuevo catalizador convierte directamente compuestos oxigenados crudos usando condiciones mucho más suaves y con significativamente menos energía y es más amigable con el medio ambiente ".
La biomasa es materia orgánica que se puede convertir y utilizar como combustible y materia prima. Se deriva comúnmente de los desechos agrícolas sobrantes como la madera, el pasto y la paja que se descomponen y alimentan en un catalizador que lo convierte en buteno, ungas rico en energía utilizado por las industrias química y petrolera para fabricar plásticos, polímeros y combustibles líquidos que de otro modo se producen a partir del petróleo.
Normalmente, una reacción química requiere una gran cantidad de energía para romper los enlaces fuertes formados por elementos como el carbono, el oxígeno y el hidrógeno. Algunos enlaces pueden requerir calentarlos a 1,000 ° C más de 1,800 ° F y más calientes anteslos lazos están rotos
Para un diseño más ecológico, el equipo dopaba el catalizador al reemplazar los átomos de silicio de la zeolita con niobio y aluminio. La sustitución crea un estado químicamente desequilibrado que promueve la separación de enlaces y reduce radicalmente la necesidad de altos grados de tratamientos térmicos.
"La química que tiene lugar en la superficie de un catalizador puede ser extremadamente complicada. Si no tienes cuidado en controlar cosas como la presión, la temperatura y la concentración, terminarás produciendo muy poco buteno", dijo el investigador de ORNLYongqiang Cheng. "Para obtener un alto rendimiento, hay que optimizar el proceso, y para optimizar el proceso hay que entender cómo funciona el proceso".
Los neutrones son muy adecuados para estudiar reacciones químicas de este tipo debido a sus propiedades profundamente penetrantes y su aguda sensibilidad a elementos ligeros como el hidrógeno. El espectrómetro VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL permitió a los investigadores determinar con precisión qué enlaces químicos estaban presentes ycómo se comportaban según las firmas vibratorias de los enlaces. Esa información les permitió reconstruir la secuencia química necesaria para optimizar el rendimiento del catalizador.
"Hay muchas pruebas y errores asociados con el diseño de un catalizador de tan alto rendimiento como el que hemos desarrollado", dijo el autor correspondiente Sihai Yang de la Universidad de Manchester. "Cuanto más entendemos cómo funcionan los catalizadores, máspodemos guiar el proceso de diseño de materiales de próxima generación "
Se usaron mediciones de difracción de rayos X de sincrotrón en la fuente de luz de diamante del Reino Unido para determinar la estructura atómica del catalizador y se realizaron mediciones complementarias de dispersión de neutrones en la fuente de neón y muón ISIS del Laboratorio Rutherford Appleton.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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