I ricercatori guidati dall'Università di Manchester hanno progettato un catalizzatore che converte la biomassa in fonti di combustibile con un'efficienza notevolmente elevata e offre nuove possibilità per la produzione di materiali rinnovabili avanzati.

Gli esperimenti di diffusione dei neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno svolto un ruolo chiave nel determinare le dinamiche chimiche e comportamentali di un catalizzatore di zeolite (la zeolite è un materiale poroso comune utilizzato nella catalisi commerciale) per fornire informazioni per massimizzare le sue prestazioni.

Il catalizzatore ottimizzato, chiamato NbAlS-1, converte le materie prime derivate dalla biomassa in olefine leggere, una classe di prodotti petrolchimici come l'etene, propene, e butene, utilizzato per produrre plastica e combustibili liquidi. Il nuovo catalizzatore ha una resa impressionante di oltre il 99% ma richiede molta meno energia rispetto ai suoi predecessori. La ricerca del team è pubblicata sulla rivista Materiali della natura .

"L'industria fa molto affidamento sull'uso di olefine leggere dal petrolio greggio, ma la loro produzione può avere impatti negativi sull'ambiente, " ha affermato l'autore principale Longfei Lin presso l'Università di Manchester. "I catalizzatori precedenti che producevano butene da composti ossigenati purificati richiedevano molta energia, o temperature estremamente elevate. Questo nuovo catalizzatore converte direttamente i composti ossigenati grezzi utilizzando condizioni molto più miti e con molta meno energia ed è più rispettoso dell'ambiente".

La biomassa è materia organica che può essere convertita e utilizzata come combustibile e materia prima. È comunemente derivato da scarti agricoli avanzati come legno, erba, e paglia che viene scomposta e alimentata in un catalizzatore che lo converte in butene, un gas ricco di energia utilizzato dalle industrie chimiche e petrolifere per produrre plastica, polimeri e combustibili liquidi altrimenti prodotti dal petrolio.

Tipicamente, una reazione chimica richiede un'enorme quantità di energia per rompere i forti legami formati da elementi come il carbonio, ossigeno, e idrogeno. Alcuni legami potrebbero richiedere di riscaldarli a 1, 000°C (più di 1, 800°F) e più caldo prima che i legami si rompano.

Per un design più verde, il team ha drogato il catalizzatore sostituendo gli atomi di silicio della zeolite con niobio e alluminio. La sostituzione crea uno stato chimicamente sbilanciato che favorisce la separazione dei legami e riduce radicalmente la necessità di trattamenti termici di alto livello.

"La chimica che avviene sulla superficie di un catalizzatore può essere estremamente complicata. Se non stai attento nel controllare cose come la pressione, temperatura, e concentrazione, finirai per fare pochissimo butene, " ha detto il ricercatore dell'ORNL Yongqiang Cheng. "Per ottenere un alto rendimento, devi ottimizzare il processo, e per ottimizzare il processo devi capire come funziona il processo."

I neutroni si prestano bene allo studio di reazioni chimiche di questo tipo grazie alle loro proprietà di penetrazione profonda e alla loro acuta sensibilità agli elementi leggeri come l'idrogeno. Lo spettrometro VISION presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL ha consentito ai ricercatori di determinare con precisione quali legami chimici erano presenti e come si comportavano in base alle firme vibrazionali dei legami. Queste informazioni hanno permesso loro di ricostruire la sequenza chimica necessaria per ottimizzare le prestazioni del catalizzatore.

"Ci sono molti tentativi ed errori associati alla progettazione di un catalizzatore ad alte prestazioni come quello che abbiamo sviluppato, ", ha affermato l'autore corrispondente Sihai Yang dell'Università di Manchester. "Più comprendiamo come funzionano i catalizzatori, più siamo in grado di guidare il processo di progettazione dei materiali di nuova generazione."

Le misurazioni della diffrazione dei raggi X di sincrotrone presso la Diamond Light Source del Regno Unito sono state utilizzate per determinare la struttura atomica del catalizzatore e misurazioni complementari della diffusione dei neutroni sono state effettuate presso l'ISIS Neutron and Muon Source del Rutherford Appleton Laboratory.

Oltre a Lin, Cheng, e Yang, l'elenco dei coautori include Alena M. Sheveleva, Ivan da Silva, Christopher M.A. Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Mengtian Fan, Xue Han, Joseph H. Carter, Tonno Floriana, Eric J.L. McInnes, Luca L. Daemen, Svemir Rudic, Anibal J. Ramirez-Cuesta, e Chiu C. Tang.