Herstellung von Kerosin auf elementarer Basis
Die Luftfahrt ist in hohem Maße auf energiedichte Kraftstoffe angewiesen und nach dem Straßenverkehr der zweitgrößte Energieverbraucher im Verkehrswesen. Trotz jahrzehntelanger technologischer Fortschritte zur Verbesserung der Energieeffizienz ist der Sektor immer noch von fossilen Brennstoffen abhängig und für einen wesentlichen Teil der 13 % Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor verantwortlich.
Eine neue Möglichkeit zur Herstellung von Kerosin
Um die Abhängigkeit der Luftfahrt von fossilen Brennstoffen zu verringern, wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 4AirCRAFT(öffnet in neuem Fenster) nach innovativen Wegen zur direkten Herstellung von Kerosin aus CO2 und Wasserstoff (H2) gesucht. Das Team entwickelte eine Technologie, mit der CO2 in langkettige Kohlenwasserstoffe (≥C8) umgewandelt wird, die als Vorprodukte für Kerosin dienen. „Wir haben CO2 bei Raumtemperatur in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), dann Hexanol (eine Alkoholart) unter milden Bedingungen (140-160°C) in eine Hexen-Fraktion und diese anschließend in langkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt“, erklärt Projektkoordinatorin Vanesa Gil. Das Konzept für 4AirCRAFT basiert auf einem einzigen Kaskadenreaktor, der aus drei miteinander verbundenen Modulen besteht. „Wir konzentrierten uns auf die Optimierung der CO2-Selektivität und der elektrochemischen Umwandlung in nützliche Produkte (elektrochemisches Reaktormodul) sowie auf die Dehydratisierung von Alkohol in Hexene und dann in langkettige Kohlenwasserstoffe (mit Hilfe eines biomimetischen chemokatalytischen Reaktormoduls)“, fügt Gil hinzu. Das Gesamtkonzept beruht auf der Herstellung von Alkoholen aus Synthesegas (einer Mischung aus CO und H2), wobei ein mikrobielles Modul als Zwischenschritt genutzt wird. Das CO2-Elektroreduktionsmodul verwendet eine lückenlose Membranelektroden-Anordnung und erreicht bei Raumtemperatur eine Selektivität von 48-96 % für CO und 52-96 % für CO + H2. Das biomimetische chemokatalytische Modul wandelt Alkohole wie 1-Hexanol in langkettige Kohlenwasserstoffe und Kerosin-Vorprodukte um. Unter Verwendung von 3D-gedruckten Katalysatoren, die Ton nachahmen, dehydriert es 1-Hexanol in Hexene mit bis zu 96 % Alkene-Ausbeute. Zudem wandelt es Alkene in Kohlenwasserstoffe und Ester mit einer 95 %igen Umwandlungsrate um.
Verbesserte Katalysatoren für sauberere Kraftstoffe
Um den Prozess energieeffizienter zu gestalten, wurden im Rahmen des Projekts fortschrittliche Elektro- und Chemokatalysatoren eingesetzt, deren Umgebung optimiert wurde. Katalysatoren auf der Basis von Zink (Zn) erzielen eine Selektivität von 90 % für die CO-Produktion und 94 % für ein CO- und H2-Gemisch. Im zweiten, anspruchsvollen Schritt der Dehydratisierung von Hexanol zu den gewünschten Hexenen wurde eine Ausbeute von über 70 % erreicht – bei den niedrigsten Temperaturen, die jemals für diese Reaktion verzeichnet wurden. Zu den wirksamsten Katalysatoren gehörten Verbindungen wie Hafniumtriflat, Kupfertriflat, Triflinsäure und Materialien auf Tonbasis, die alle in geringen katalytischen Mengen (2-10 Mol-%) verwendet wurden.
Enzyme als Biokatalysatoren
Darüber hinaus untersuchten die Forschenden den Einsatz von Biokatalysatoren für die Dehydratisierung von Alkohol. Sie verbesserten die Stabilisierung dieser Katalysatoren sowie die Effizienz der Fischer-Tropsch-Synthese (ein chemischer Prozess zur Umwandlung von CO und H2 in flüssige Kohlenwasserstoffe) unter milden Bedingungen. Ein Schwerpunkt bei der Biokatalyse war die Erforschung der Linalool-Dehydratase-Isomerase (LinD) – ein natürliches Enzym, das Alkohole dehydriert. Es wurde in verschiedenen Formen getestet – darunter als ganze Zellen, gereinigtes Enzym, Zellpellets und Rohextrakte – und dehydrierte einige primäre Alkohole wie Geraniol effektiv, war jedoch weniger erfolgreich bei anderen. Nichtsdestotrotz hatte es nachweislich großes Potenzial für die Umwandlung von Allylalkoholen in hochwertige Produkte.
Leistungssteigerung von Enzymen mithilfe metallorganischer Gerüste
Um die Leistung der Enzyme weiter zu verbessern, verwendete das Team metallorganische Gerüste (MOFs) – Strukturen, die Enzyme sicher ummanteln können. „Dadurch wurde zwar die Aktivität verringert, aber auch eine Grundlage für stabile Enzym-MOF-Hybride geschaffen. Außerdem eröffnete dies neue Möglichkeiten für fortschrittliches Katalysator-Engineering“, betont Gil.
Grenzen überwinden
Herkömmlichen Methoden zur Kraftstoffherstellung, die sich auf fossile Quellen stützen, mangelt es oft an Effizienz, Selektivität und hohen Umwandlungsraten. 4AirCRAFT demonstrierte eine effiziente, flexible und skalierbare Technologie zur Umwandlung von recyceltem CO2 in nachhaltige Flüssigkraftstoffe, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung katalytischer Materialien lag, um Energiebarrieren in wichtigen Reaktionsschritten zu überwinden.
