29. Juni 2017

Benzin und Chemikalien aus Pflanzenresten

Medienmitteilungen Forschung mit Synchrotronlicht Materialforschung Materie und Material Energie und Umwelt

Aus dem unerschöpflichen Rohstoff Lignin, der als Bestandteil vieler Pflanzen in grossen Mengen anfällt, lassen sich theoretisch Treibstoffe und andere wichtige Substanzen für die Industrie gewinnen – bislang aber nicht effizient genug. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben nun eine Methode gefunden, die bis dato unsichtbaren Zwischenprodukte der bei dieser Umwandlung genutzten katalytischen Reaktionen zu identifizieren. Dadurch lassen sich Herstellungsverfahren in Zukunft gezielter verbessern. Die Studie erscheint in der neusten Ausgabe des Fachjournals Nature Communications.

Wie praktisch und umweltfreundlich es doch wäre, wenn man Treibstoff ganz einfach aus Pflanzenresten herstellen könnte. Oder Phenole, die man in der Kunststoffindustrie dringend braucht. Wenn sich also fundamentale Rohstoffe unserer Zivilisation einfach aus dem gewinnen liessen, was die Natur jedes Jahr in rauen Mengen produziert und wir sonst vor lauter Überfluss verrotten lassen.

Lignin zum Beispiel steckt in allen verholzten Pflanzen und ist mit rund 20 Milliarden Tonnen Jahresaufkommen neben Zellulose und Chitin die häufigste organische Substanz auf Erden. 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.

Ein grosser Schritt, den Mechanismus zu verstehen

Theoretisch lassen sich also aus Lignin diese Verbindungen durch aufknacken gewinnen. Allerdings ist das chemisch extrem kompliziert und aufwendig. Unterm Strich lohnt es bislang nicht. Doch dies könnte sich dank ausgeklügelter Verfahren ändern. Und Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen und der ETH Zürich sind nun einen grossen Schritt vorangekommen, den Mechanismus hinter den Reaktionen besser zu verstehen, die zu den gewünschten Chemikalien führen können. In dem Verfahren wird das grosse Molekül Lignin – die Forscher verwendeten als Modell den Lignin-Baustein Guaiacol (also einen Teil des grossen Moleküls) – bei rund 400 Grad 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, sagt Patrick Hemberger, Strahllinienwissenschaftler an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Vor allem kann man sie kaum unterscheiden, weil ihre Moleküle oft aus den gleichen Atomen bestehen, die nur verschieden angeordnet sind. Könnten wir aber diese Zwischenprodukte und ihr Mengenverhältnis bestimmen, dann liesse sich auch das Verfahren so verändern, dass bestimmte Intermediate bevorzugt erzeugt werden und am Ende die Ausbeute des gewünschten Produkts steigt.

Synchrotronlicht macht Unsichtbares sichtbar

Da die Moleküle gleich viel wiegen, sind sie etwa für ein Massenspektrometer, das Substanzen anhand ihres Gewichts sortiert, nicht auseinanderzuhalten. Mittels sogenannter Vakuum-Ultraviolett-Synchrotronstrahlung und einer Kombination aus Massenspektrometrie und Photoelektronenspektroskopie, die wir hier an der SLS zur Verfügung haben, ist uns dies nun gelungen, berichtet Hemberger. Bedeutet: 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.

Bisher wurde bei solchen katalytischen Verfahren per cook and look gearbeitet, wie der Chemiker sagt: Man probierte einfach aus, welche Versuchsanordnung am meisten von dem gewünschten Produkt ergab, variierte zum Beispiel Temperatur, den Katalysator, die Konzentration der Moleküle. Mit dem von Patrick Hemberger entwickelten Ansatz können wir nun die komplexen Reaktionsmechanismen erstmals wirklich enträtseln, sagt Co-Autor Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors für Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor für heterogene Katalyse an der ETH Zürich. Und dadurch können wir nun gezielter neue, bessere und umweltfreundlichere Herstellungsverfahren entwickeln, ergänzt die zweite Co-Autorin Victoria Custodis. Noch dazu lasse sich der Ansatz auf zahlreiche andere Katalyseverfahren übertragen.

Text: Jan Berndorff

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.
(Stand 05/2017)
Kontakt/Ansprechpartner
Dr. Patrick Hemberger
Labor für Femtochemie, Forschungsbereich Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 32 65, E-Mail: patrick.hemberger@psi.ch
Originalveröffentlichung
Understanding the mechanism of catalytic fast pyrolysis by unveiling reactive intermediates in heterogeneous catalysis
Patrick Hemberger, Victoria B.F. Custodis, Andras Bodi, Thomas Gerber, Jeroen A. van Bokhoven;
Nature Communications 29 June 2017
DOI: 10.1038/NCOMMS15946