Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities hat eine bahnbrechende neue Katalysatortechnologie erfunden, die erneuerbare Materialien wie Bäume und Mais in die Schlüsselchemikalien Acrylsäure und Acrylate umwandelt, die in Farben, Beschichtungen und superabsorbierenden Polymeren verwendet werden. Die neue Katalysatortechnologie ist außerdem hocheffizient, was zu geringeren Kosten für die Herstellung erneuerbarer Chemikalien führt.
Die neue Katalysatorformulierung wandelt aus Mais gewonnene Chemikalien auf Milchsäurebasis in Acrylsäure und Acrylate mit der bisher höchsten Ausbeute um. Die Technologie weist eine wesentlich höhere Leistung auf, wenn sie mit anderen Klassen führender Katalysatoren verglichen wird.
Die Forschungsergebnisse werden online im veröffentlicht JACS Au.
Die Öffentlichkeit ist mit Acrylsäure und verwandten Acrylaten am besten durch ihre Verwendung in Alltagsgegenständen vertraut, von Farben und Beschichtungen über klebrige Klebstoffe bis hin zu superabsorbierenden Materialien, die in Windeln verwendet werden. Diese Chemikalien und Materialien wurden im letzten Jahrhundert aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Aber in den letzten Jahrzehnten ist die Maisindustrie gewachsen und hat sich über Lebensmittel und Viehfutter hinaus auf die Herstellung nützlicher Chemikalien ausgeweitet.
Eine solche aus Mais gewonnene Chemikalie ist nachhaltige Milchsäure, ein Schlüsselbestandteil bei der Herstellung des erneuerbaren und kompostierbaren Kunststoffs, der in vielen alltäglichen Anwendungen verwendet wird.
Milchsäure kann auch mit Katalysatoren zu Acrylsäure und Acrylaten umgewandelt werden. Bis zu dieser neuen Katalysatorentdeckung waren traditionelle Katalysatoren jedoch sehr ineffizient, erzielten niedrige Ausbeuten und machten das Gesamtverfahren zu teuer.
„Unsere Entdeckung einer neuen Katalysatorformulierung erzielt die bisher höchste Ausbeute an Acrylsäure aus Milchsäure“, sagte Paul Dauenhauer, Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der Universität von Minnesota. „Wir haben die Leistung unseres neuen Katalysators mit allen früheren Katalysatoren verglichen, und die Leistung übertrifft bei weitem frühere Beispiele.“
Die neue Katalysatorformulierung reduziert die Kosten für die Herstellung von erneuerbarer Acrylsäure und Acrylaten aus Mais erheblich, indem sie die Ausbeute verbessert und Abfall reduziert. Dadurch könnte der Preis für nachwachsende Acrylsäure erstmals unter den Preis fossiler Chemikalien sinken.
Die wirtschaftliche Chance, die der neue Katalysator bietet, wird von Låkril Technologies verfolgt, einem Start-up-Unternehmen, das sich zum Ziel gesetzt hat, kostengünstige erneuerbare Acrylsäure und Acrylate herzustellen. Durch die Lizenzierung der Katalysatortechnologie von der University of Minnesota wird Låkril Technologies die Technologie über das Labor hinaus weiterentwickeln.
„Seit einem halben Jahrhundert stützt sich die chemische Herstellung auf eine Klasse von Katalysatoren, die ‚Zeolithe‘ genannt werden“, sagt Dr. Chris Nicholas, CEO von Låkril Technologies. „Da die Entdeckung des neuen Katalysators auf einer Zeolith-Formulierung basiert, die bereits im Maßstab verfügbar ist, wird unser neues Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure und Acrylaten niedrige Kosten bei geringem Risiko erreichen.“
An der University of Minnesota plant das Forschungsteam, seine Grundlagenforschung zum Katalysatordesign fortzusetzen, um die grundlegenden Aspekte der Chemie mit finanzieller Unterstützung des Center for Sustainable Polymers mit Hauptsitz an der University of Minnesota zu verstehen.
„Dies ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie die Behandlung wichtiger Fragen der Grundlagenforschung, die im Mittelpunkt der fundamentalen Katalyse stehen, zu innovativen neuen Prozessen führen kann, die echte technologische Versprechen haben“, sagte Marc Hillmyer, Direktor des Zentrums für nachhaltige Polymere und Professor an der Fakultät für Chemie der Universität von Minnesota.
„Eine große Herausforderung im Center for Sustainable Polymers ist die effiziente und nachhaltige Umwandlung von Biomasse in Polymerbestandteile, und diese Arbeit stellt eine bahnbrechende Lösung für diese Herausforderung dar, die nachhaltige Auswirkungen haben wird.“
Mehr Informationen:
Yutong Pang et al, Multifunctional Amine Modifiers for Selective Dehydratation of Methyl Lactate to Acrylates, JACS Au (2023). DOI: 10.1021/jacsau.2c00513