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

Op de COP28 - de conferentie van de Verenigde Naties over klimaatverandering die in december 2023 in Dubai werd gehouden - werd een overeenkomst bereikt waarin alle landen werden opgeroepen om te helpen "op een rechtvaardige, geordende en billijke manier af te stappen van fossiele brandstoffen in energiesystemen". 

Volgens Emiel Hensen, hoogleraar aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry, zou deze verklaring enigszins kunnen worden herzien om rekening te houden met de technologie die we in de toekomst nodig hebben.

Zwaar transport

We moeten afstappen van fossiele grondstoffen zoals aardolie om koolwaterstofbrandstoffen te produceren.

“Om precies te formuleren, we moeten afstappen van fossiele grondstoffen zoals aardolie om koolwaterstofbrandstoffen te produceren”, zegt Hensen. “En dat komt omdat we nog tientallen jaren koolwaterstofbrandstoffen nodig zullen hebben, of we dat nu leuk vinden of niet.”

Elektrische mobiliteit mag dan een revolutie teweegbrengen in de gezinsauto, maar grootschalig zwaar transport zoals schepen en vliegtuigen zullen nog wel enige tijd afhankelijk blijven van koolwaterstofbrandstoffen. “Het is een onontkoombaar feit: we zullen nog enige tijd koolwaterstofbrandstoffen nodig hebben om de energietransitie mogelijk te maken. Maar we hoeven ze niet te maken van traditionele ruwe olie. In plaats daarvan kunnen we ze maken uit hernieuwbare bronnen, zoals lignine uit plantaardige biomassa.”

Levert lignine problemen op?

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”, zegt Hensen.

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”, zegt Hensen.

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 weg naar het kraken van koolstof-koolstofverbindingen

Hoe werkt de katalytische technologie? Zoals Hensen uitlegt, is er een katalysator (red. - dit is een hulpstof die een scheikundige reactie versnelt of mogelijk maakt) voor nodig die twee soorten reacties tegelijk kan versnellen.

“We ontdekten dat een katalysator met een dubbele werken, die een activeringsstap van de ringstructuren combineert met een kraakstap, selectief koolstof-koolstofverbindingen kan splitsen”, merkt Hensen op.

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).

“Dankzij onze innovatie zijn we van koolstof-zuurstofbruggen naar een technologie gegaan waarbij koolstof-koolstofbruggen de norm kunnen worden”, zegt Hensen.

Hoewel dit werk hardcore fundamentele wetenschap is en voornamelijk werd uitgevoerd in de groep van Hensen aan de TU/e, was er belangrijke input vanuit de hele wereld.

“Aan de TU/e hebben Zhicheng Luo en Alexandra Radu het meeste werk verricht, waarbij het idee van Luo kwam, die het voordeel ontdekte van bifunctionele metaalnanodeeltjes/zeolietkristallen voor het breken van koolstof-koolstofbruggen”, merkt Hensen op.

Luo's observatie was slechts één deel van de puzzel. De kwantumchemische berekeningen van Chong Liu, een voormalig PhD-onderzoeker in de groep van Hensen en nu werkzaam aan het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter in Fuzhou in China, waren cruciaal voor het begeleiden van de wetenschap. Daarnaast hielpen de spin-off bedrijven Vertoro uit Nederland en Bloom uit Zwitserland bij het evalueren van de aanpak door deze toe te passen op echte lignine grondstoffen.

Dankzij onze innovatie zijn we van koolstof-zuurstofbruggen naar een technologie gegaan waarbij koolstof-koolstofbruggen de norm kunnen worden.

Tot slot hielp een extra samenwerking met de Southeast University in Nanjing, China - de huidige gastuniversiteit van Zhicheng Luo - bij de technisch-economische analyse, waarbij de impact van het splijten van de koolstof-koolstofbrug werd aangetoond.

“De oplossing die we hebben bedacht maakt de productie van biobrandstoffen uit lignine mogelijk met een aanzienlijk hogere opbrengst dan tot nu toe gerealiseerd is. Dit kan helpen om hernieuwbare brandstof op basis van lignine commercieel levensvatbaar te maken”, zegt Hensen.

De mogelijkheden zijn eindloos!

Om de effectiviteit van de aanpak verder te testen, is de nieuwe katalytische technologie niet alleen gedemonstreerd met modelcomponenten die aanwezig zijn in lignine, maar ook met echte ligninegrondstoffen die zijn verkregen van toonaangevende technologieontwikkelaars zoals Bloom en Vertoro. “Dit betekent dat de technologie kan worden geïntegreerd in de industriële processen die bij deze spin-offs worden gerealiseerd”, zegt Hensen.

Tot nu toe hebben Hensen en zijn medewerkers experimenten uitgevoerd in batchreactoren. “De volgende natuurlijke stap is het evalueren van de stabiliteit van de katalysatoren in continue processen die de norm zijn in de chemische industrie.”

Een extra complicatie voor de onderzoekers is de grote variabiliteit in de chemische samenstelling van lignine. “Deze variabiliteit betekent dat het absoluut noodzakelijk is om te evalueren hoe onzuiverheden in reguliere ligninemonsters van biomassa de opbrengst beïnvloeden”, merkt Hensen op.

Om de van lignine afgeleide delen te gebruiken om duurzame vliegtuigbrandstoffen te maken voor de luchtvaartindustrie - een industrie die moet veranderen hoe ze aan koolwaterstofbrandstoffen komt - moeten de onderzoekers het proces 'milder' maken, zodat iets zwaardere verbindingen kunnen worden verkregen. “Een milder proces heeft een lagere reactietemperatuur en druk nodig. We passen de katalysator dus aan om moleculen met twee ringstructuren te verkrijgen met een hoge selectiviteit, die onmiddellijk kunnen worden gemengd met vliegtuigbrandstoffen”, zegt Hensen.

Door het mengen zouden de brandstoffen ook kunnen worden gebruikt in de huidige generatie vliegtuigmotoren. Bovendien kunnen deze motoren worden aangepast om te werken op brandstoffen die alleen uit lignine bestaan, wat hele transportsectoren kan helpen om over te schakelen op het gebruik van uitsluitend duurzame brandstofopties.

Meer informatie

'Carbon-carbon bond cleavage for a lignin refinery', Luo et. al, Nature Chemical Engineering, (2024).