Het kraken van koolstof-koolstofverbindingen in lignine om duurzame vliegtuigbrandstoffen te maken

Wereldwijd is men het erover eens dat de mensheid moet afstappen van brandstoffen uit fossiele grondstoffen om de gevolgen van klimaatverandering te beperken. Terwijl kleinere voertuigen overstappen op e-mobiliteit, zullen vracht- en massavervoer sectoren zoals vrachtwagens, schepen en vliegtuigen in de nabije toekomst helaas afhankelijk blijven van traditionele vloeibare koolwaterstofbrandstoffen, zoals bijv. diesel en kerosine.

Als alternatief voor aardolie kunnen deze brandstoffen ook worden geproduceerd uit hernieuwbare plantaardige lignine. Het rendement van dat proces is nog beperkt door de huidige verwerkingsprocessen, wat de adoptie van deze alternatieve plantaardige brandstoffen belemmert.

In een nieuw onderzoek onder leiding van de onderzoeksgroep van Emiel Hensen aan de TU/e is een nieuwe katalytische aanpak ontwikkeld. Deze aanpak kan de opbrengsten uit lignine aanzienlijk verbeteren, door moeilijk te verbreken koolstof-koolstofverbindingen te kraken.

Lignine is een van de belangrijkste bestanddelen van plantaardige biomassa. Daarom willen Hensen en anderen juist lignine gebruiken om waardevolle brandstoffen en chemicaliën te produceren. Op dit moment zit er echter een addertje onder het gras.

In biomassa vind je suikers en lignine. Suikers kunnen worden omgezet in ethanol, terwijl chemicaliën en brandstoffen in principe gemaakt kunnen worden van lignine. Het probleem is om een effectief en efficiënt proces te ontwikkelen dat dat laatste kan.

Lignine is een polymeer van zogenaamde aromatische verbindingen (een vlakke ring van atomen gestabiliseerd door de interactie van bindingen in de ring) die moeilijk te ontwarren is. Qua bindingen bestaat lignine uit gemakkelijk te breken en zwakke koolstof-zuurstof verbindingen en veel sterkere koolstof-koolstof verbindingen.

Katalytische methoden breken de zwakke koolstof-zuurstof bindingen gemakkelijk, maar laten de koolstof-koolstof bindingen onaangeroerd, waardoor de opbrengst van bruikbare producten uit lignine wordt beperkt.

In een onderzoek dat zojuist op de cover van het nieuwe wetenschappelijke tijdschrift Nature Chemical Engineering is verschenen, heeft Hensen samen met een aantal TU/e-collega’s en partners in Nederland, China en Zwitserland de koolstof-koolstofsplitsing opgelost met behulp van een nieuwe katalytische technologie.

De sterke koolstof-koolstofverbindingen in de lignine worden allereerst geactiveerd op metalen nanodeeltjes. Deze pre-activeringsstap verzwakt de koolstof-koolstofverbindingen, die vervolgens kunnen worden gekraakt op zure sites in microporeuze zeolieten. De onderzoekers ontdekten dat het dicht bij elkaar brengen van de metaal- en zuursites resulteerde in de hoogste opbrengst aan monomeerproducten (halffabricaten) uit de lignine. Die halffabricaten kunnen vervolgens gebruikt worden als multifunctionele bouwstenen. Deze zijn nodig om verschillende soorten brandstoffen of chemicaliën te maken (synthetiseren).