Wasser in Zeolithen hilft bei der Umwandlung von Biomasse in Biosprit

Zehn Gramm von den porösen Mate­ri­alien Zeolithe kön­nen eine innere Ober­fläche von der Größe eines Fußballfeldes besitzen. Ihre Hohlräume lassen sich nutzen, um chemis­che Reak­tio­nen zu katalysieren und damit Energie zu sparen. Ein inter­na­tionales Forschung­steam hat nun neue Erken­nt­nisse über die Rolle von Wasser­molekülen in diesen Prozessen gewon­nen. Eine wichtige Anwen­dung ist die Umwand­lung von Bio­masse in Biosprit.
Treib­stoff aus Bio­masse gilt zwar als kli­ma­neu­tral, den­noch benötigt man Energie um ihn herzustellen: Erst höhere Tem­per­a­turen und Druck sor­gen dafür, dass die gewün­scht­en chemis­chen Reak­tio­nen stattfinden.

„Wenn wir in Zukun­ft auf fos­sile Energi­eträger verzicht­en und Bio­masse im großen Stil effizient nutzen wollen, dann müssen wir auch Wege find­en, den Energiebe­darf bei der Ver­ar­beitung zu reduzieren.“
‑Johannes Lercher, Pro­fes­sor für Tech­nis­che Chemie an der Tech­nis­chen Uni­ver­sität München (TUM)

Zusam­men mit einem inter­na­tionalen Forschung­steam hat der Chemik­er sich jet­zt die Rolle von Wasser­molekülen bei Reak­tio­nen inner­halb der nur wenige Nanome­ter großen Poren in Zeolithen genauer angesehen.

Das Saure an der Säure

Eine Säure zeich­net sich dadurch aus, dass sie bere­itwillig Pro­to­nen abgibt. Salzsäure spal­tet sich so auf in ein neg­a­tiv geladenes Chlo­rid-Anion, wie es auch im Kochsalzkristall vorkommt, und ein pos­i­tiv geladenes Pro­ton, das in Wass­er an Wasser­moleküle andockt. Es entste­ht so ein pos­i­tiv geladenes Hydro­ni­um-Ion, das dieses Pro­ton aber auch gerne wieder weit­er reicht, beispiel­sweise an ein organ­is­ches Molekül.
Wird diesem ein Pro­ton „aufge­drängt“, ver­sucht es sich zu sta­bil­isieren. Aus einem Alko­hol kann so ein Molekül mit ein­er Dop­pel­bindung wer­den – ein typ­is­ch­er Reak­tion­ss­chritt auf dem Weg von Bio­masse zu Biosprit. Die Wände von Zeolithen sta­bil­isieren die bei der Umwand­lung auftre­tenden Über­gangszustände und helfen so, den Energieaufwand für die Reak­tion zu minimieren.

Ein Zeolith wird sauer

In Zeolithen gibt es Sauer­stoffatome im Kristal­lver­band, die bere­its ein Pro­ton besitzen. Im Zusam­men­spiel mit Wasser­molekülen bilden sie, wie moleku­lare Säuren, Hydro­ni­um-Ionen. Während die sich im Wass­er jedoch verteilen, sind sie im Zeolithen fest gebun­den. Durch chemis­che Vor­be­hand­lung kann man die Zahl dieser aktiv­en Stellen vari­ieren und so in den Poren des Zeolithen eine bes­timmte Dichte von Hydro­ni­um-Ionen herstellen.

Der optimale Zeolith für jede Reaktion

Das Forschung­steam vari­ierte nun sys­tem­a­tisch die Größe der Hohlräume, die Dichte der aktiv­en Zen­tren und die Wasser­menge. So kon­nte es zeigen, welche Poren­größe und welche Wasser­menge aus­gewählte Beispiel­reak­tion am besten katalysiert.
„Grund­sät­zlich kann man die Reak­tion­s­geschwindigkeit steigern, indem man die Poren enger macht und die Ladungs­dichte erhöht“, erk­lärt Johannes Lercher. „Diese Steigerung hat allerd­ings Gren­zen: Wenn es zu eng wird und die Ladun­gen zu dicht nebeneinan­der sind, nimmt die Reak­tion­s­geschwindigkeit wieder ab. Für jede Reak­tion kann man so die opti­malen Bedin­gun­gen find­en.“ „Zeolithe sind für alle chemis­chen Reak­tio­nen geeignet, deren Reak­tion­spart­ner in diese Poren hinein­passen und bei denen eine Säure als Katalysator einge­set­zt wird“, betont Lercher. „Wir ste­hen hier ganz am Anfang ein­er Entwick­lung die das Poten­zial hat, die Reak­tiv­ität von Molekülen auch bei niedri­gen Tem­per­a­turen deut­lich zu erhöhen und damit bei der Gewin­nung von Kraft­stof­fen oder chemis­chen Sub­stanzen in erhe­blichem Umfang Energie einzusparen.“