Mechanische Spaltung von Biomasse
Nanowissenschaftler publizieren einen neuen Mechanismus, bei dem Cellulose mittels mechanischer Krafteinwirkung gespalten werden kann. Die Spaltung soll sowohl wirksam als auch umweltschonend geschehen.
Der Energie- und Chemikalienbedarf steigt stetig an und die Welt sieht sich vor der Herausforderung, diesen Bedarf auch in Zukunft zu decken. Das Mittel der Wahl sind hierfür bevorzugt erneuerbare (Energie-)Quellen, die die Natur und die Umwelt schonen sollen. Biomasse hat sich bereits als sinnvolle Alternative zu herkömmlichen fossilen (Energie-)Quellen etabliert, da diese hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen bestehen, die für die Herstellung von Kraftstoff und Chemikalien benötigt werden. Der besondere Fokus wird hier auf die in der Biomasse enthaltene Cellulose gelegt. Um diese möglichst effektiv weiterverarbeiten zu können, muss deren molekulare Struktur gespalten werden.
Diese Spaltung kann durch eine Hydrolyse Reaktion erfolgen, die jedoch, bedingt durch die atomare Struktur der Cellulose, nur schwer realisierbar ist. Die Wissenschaftler Dr. Saeed Amirjalayer , Prof. Dr. Harald Fuchs und Prof. Dr. Dominik Marx der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster bzw. der Ruhr-Universität Bochum und deren Teams haben einen neuen Reaktionsmechanismus entdeckt, der die in der Biomasse enthaltene Cellulose mittels mechanischer Krafteinwirkung effektiv spaltet. Dieser neue Mechanismus kann die Umwandlung von Biomasse umweltfreundlicher und kostengünstiger gestalten. Die gesamte Studie ist in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" unter dem Titel "Understanding the Mechanocatalytic Conversion of Biomass: A Low-Energy One-Step Reaction Mechanism by Applying Mechanical Force" nachzulesen.
Forschungsmethode
Bei der Hydrolyse der Cellulose, die zur Spaltung selbiger führt, entstehen einzelne molekulare Bausteine, die bei der Herstellung von Treibstoff und Chemikalien von essenzieller Bedeutung sind. Die Ausbeute der Bausteine aus der Hydrolyse von Cellulose ist jedoch nicht zufriedenstellend, weshalb Wissenschaftler nach Möglichkeiten suchten, diese zu erhöhen. Dabei ergaben sich bereits erste experimentelle Hinweise darauf, dass eine mechanische Krafteinwirkung eine nicht zu unterschätzende Rolle bei der Umwandlung von Cellulose einnimmt. Der genaue Einfluss auf atomarer Ebene konnte jedoch noch nicht aufgezeigt werden, was für die Weiterentwicklung dieses Prozesses unumgänglich ist. In der Studie ist es den Wissenschaftlern jedoch mit Hilfe sogenannter atomistischen Rechnungen gelungen darzulegen, dass eine mechanische Krafteinwirkung einen signifikanten Einfluss auf die Umwandlung der Cellulose ausübt. Mit Hilfe dieser Rechnungen konnte jeder einzelne Hydrolyse-Reaktionsschritt beleuchtet werden, während gleichzeitig eine Zugkraft an die Cellulosemolekülstruktur angelegt wurde. Durch die Erstellung von Energieprofilen, die den Energieverlauf über dem Reaktionsweg abbilden, wird ein direkter Vergleich der Hydrolyse Reaktion mit und ohne den Einfluss einer mechanischen Kraft möglich. Erfährt das Cellulosemolekül eine mechanische Kraft, verändert sich die Hydrolyse Reaktion stark. Durch die mechanische Kraft reduziert sich die für diese Reaktion notwendige Energie um ein Vielfaches. Darüber hinaus reduziert sich durch die mechanische Krafteinwirkung die Anzahl an Reaktionsschritten von drei auf lediglich einen. Des Weiteren konnten die Wissenschaftler mit der Studie zeigen, dass die Protonenaffinität der Cellulose regio-selektiv durch die Verwendung von mechanischer Zugkraft erhöht wird.
Die Ergebnisse der Studie sollen den Grundstein für die Entwicklung eines effizienten und umweltfreundlichen Verfahrens für die Cellulosespaltung legen. Darüber hinaus soll die Studie auf das Potential von mechano-katalytischen Reaktionen hinweisen, die auch bei anderen Prozessen, wie beispielsweise bei der Entwicklung von Kunststoffen, zum Einsatz kommen können.
Der Energie- und Chemikalienbedarf steigt stetig an und die Welt sieht sich vor der Herausforderung, diesen Bedarf auch in Zukunft zu decken. Das Mittel der Wahl sind hierfür bevorzugt erneuerbare (Energie-)Quellen, die die Natur und die Umwelt schonen sollen. Biomasse hat sich bereits als sinnvolle Alternative zu herkömmlichen fossilen (Energie-)Quellen etabliert, da diese hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen bestehen, die für die Herstellung von Kraftstoff und Chemikalien benötigt werden. Der besondere Fokus wird hier auf die in der Biomasse enthaltene Cellulose gelegt. Um diese möglichst effektiv weiterverarbeiten zu können, muss deren molekulare Struktur gespalten werden.
Diese Spaltung kann durch eine Hydrolyse Reaktion erfolgen, die jedoch, bedingt durch die atomare Struktur der Cellulose, nur schwer realisierbar ist. Die Wissenschaftler Dr. Saeed Amirjalayer , Prof. Dr. Harald Fuchs und Prof. Dr. Dominik Marx der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster bzw. der Ruhr-Universität Bochum und deren Teams haben einen neuen Reaktionsmechanismus entdeckt, der die in der Biomasse enthaltene Cellulose mittels mechanischer Krafteinwirkung effektiv spaltet. Dieser neue Mechanismus kann die Umwandlung von Biomasse umweltfreundlicher und kostengünstiger gestalten. Die gesamte Studie ist in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" unter dem Titel "Understanding the Mechanocatalytic Conversion of Biomass: A Low-Energy One-Step Reaction Mechanism by Applying Mechanical Force" nachzulesen.
Forschungsmethode
Bei der Hydrolyse der Cellulose, die zur Spaltung selbiger führt, entstehen einzelne molekulare Bausteine, die bei der Herstellung von Treibstoff und Chemikalien von essenzieller Bedeutung sind. Die Ausbeute der Bausteine aus der Hydrolyse von Cellulose ist jedoch nicht zufriedenstellend, weshalb Wissenschaftler nach Möglichkeiten suchten, diese zu erhöhen. Dabei ergaben sich bereits erste experimentelle Hinweise darauf, dass eine mechanische Krafteinwirkung eine nicht zu unterschätzende Rolle bei der Umwandlung von Cellulose einnimmt. Der genaue Einfluss auf atomarer Ebene konnte jedoch noch nicht aufgezeigt werden, was für die Weiterentwicklung dieses Prozesses unumgänglich ist. In der Studie ist es den Wissenschaftlern jedoch mit Hilfe sogenannter atomistischen Rechnungen gelungen darzulegen, dass eine mechanische Krafteinwirkung einen signifikanten Einfluss auf die Umwandlung der Cellulose ausübt. Mit Hilfe dieser Rechnungen konnte jeder einzelne Hydrolyse-Reaktionsschritt beleuchtet werden, während gleichzeitig eine Zugkraft an die Cellulosemolekülstruktur angelegt wurde. Durch die Erstellung von Energieprofilen, die den Energieverlauf über dem Reaktionsweg abbilden, wird ein direkter Vergleich der Hydrolyse Reaktion mit und ohne den Einfluss einer mechanischen Kraft möglich. Erfährt das Cellulosemolekül eine mechanische Kraft, verändert sich die Hydrolyse Reaktion stark. Durch die mechanische Kraft reduziert sich die für diese Reaktion notwendige Energie um ein Vielfaches. Darüber hinaus reduziert sich durch die mechanische Krafteinwirkung die Anzahl an Reaktionsschritten von drei auf lediglich einen. Des Weiteren konnten die Wissenschaftler mit der Studie zeigen, dass die Protonenaffinität der Cellulose regio-selektiv durch die Verwendung von mechanischer Zugkraft erhöht wird.
Die Ergebnisse der Studie sollen den Grundstein für die Entwicklung eines effizienten und umweltfreundlichen Verfahrens für die Cellulosespaltung legen. Darüber hinaus soll die Studie auf das Potential von mechano-katalytischen Reaktionen hinweisen, die auch bei anderen Prozessen, wie beispielsweise bei der Entwicklung von Kunststoffen, zum Einsatz kommen können.
