Chemie Biomasse umwandeln mit mechanischer Kraft
Bochumer und Münsteraner Forscher finden einen Weg, Cellulose effizienter zu spalten.
Biomasse ist eine viel versprechende Alternative zu den bisherigen fossilen Energieträgern wie Kohle oder Erdöl. Den größten Anteil an Biomasse als Speicher für Kohlenstoffverbindungen, die für die Herstellung von Kraftstoffen und Grundchemikalien entscheidend sind, hat die Cellulose. Um ihr Potenzial effizient zu nutzen, muss man ihre kettenförmige Struktur aufbrechen, was aber schwierig ist.
Einem Forscherteam der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und der RUB um Prof. Dr. Dominik Marx vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie ist es gelungen, einen neuen Reaktionsmechanismus aufzuzeigen, mit dem Cellulose durch den Einsatz von mechanischer Kraft effizient umgewandelt werden kann.
Diese sogenannte mechano-katalytische Reaktion könnte helfen, ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren für die Umwandlung von Biomasse zu etablieren. Die Forscher berichten in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ vom 25. Februar 2019.
Mechanische Kraft beeinflusst chemische Reaktion
Bei der Hydrolyse-Reaktion, durch die Cellulose aufgespalten werden kann, bleiben einzelne molekulare Bausteine erhalten. Sie sind die eigentliche Basis, um Treibstoffe oder chemische Grundstoffe herzustellen. Auf der Suche nach Möglichkeiten, um die Hydrolyse-Reaktion effizienter zu machen, fanden Forscher bereits in früheren Studien experimentelle Hinweise darauf, dass mechanische Kräfte den Prozess der Umwandlung beeinflussen können.
Bisher war es noch nicht gelungen, auf atomarer Ebene zu zeigen, wie genau dieser Einfluss während der einzelnen Reaktionsschritte aussieht. In der nun veröffentlichen Arbeit zeigen die Wissenschaftler, dass der Einsatz von mechanischer Kraft auf die Cellulosemoleküle oberhalb einer Grenze einen signifikanten Einfluss auf die Reaktion hat.
Atomistische Rechnungen zeigen die Details
Die Nanowissenschaftler führten dazu atomistische Rechnungen durch. So konnten sie die einzelnen Schritte der Hydrolyse-Reaktion im Detail verfolgen und gleichzeitig eine Zugkraft auf die Molekülstruktur ausüben. Es zeigte sich: Übten die Forscher mechanische Kraft auf das molekulare Gerüst der Cellulose aus, veränderte das stark die Hydrolyse-Reaktion. Zum einen war die benötigte Energie um ein Vielfaches geringer. Zum anderen machte eine erhöhte Zugkraft zwei von ursprünglich drei Reaktionsschritten sogar überflüssig.
Die neuen Ergebnisse bestätigen nicht nur die experimentellen Beobachtungen, sondern weisen darüber hinaus das Potenzial auf, molekulare Prozesse mithilfe von mechanischer Kraft zu steuern.
Die Wissenschaftler erhoffen sich, dass diese Arbeit nicht nur ein effizientes und umweltfreundliches Verfahren für die Umwandlung von Cellulose ermöglicht, sondern auch dazu führen kann, neuartige mechano-responsive Verbindungen, zum Beispiel Kunststoffe, zu entwickeln. Diese könnten dann durch mechanische Kräfte nach ihrer Anwendung recycelt werden.
