基于生物的丙烯腈提供更绿色的碳纤维替代品

这里所示的催化反应器用于将化学中间体转化为丙烯腈。这项工作是可再生碳纤维联盟的一部分。照片由Dennis Schroeder / NREL

从汽车和自行车到飞机和空间班车，世界各地的制造商正在试图使这些车辆更轻，这有助于降低燃料使用并减少环境足迹。

通过使用碳纤维复合材料，汽车，自行车，飞机和其他运输方式变得更轻的方式。碳纤维比钢更强，两倍刚刚，大幅打火，使其成为许多零件的理想制造材料。但随着业界依靠石油产品今天制造碳纤维，我们是否可以使用可再生来源？

2017年12月，全国可再生能源实验室（NREL）的集团领导者Gregg Beckham，跨学科团队报告了对木质纤维素生物质转化为丙烯腈的生物学化学品的实验和计算调查结果。 ，制造碳纤维的关键前体。

Acryonitrile是一种大型商品化学品，今天通过了在工业规模的复杂石油的过程中制造。衍生自油或天然气的丙烯与氨，氧和复合催化剂混合。反应产生大量的热和氰化氢，毒性副产物。用于使丙烯腈的催化剂也非常复杂，昂贵，研究人员仍然完全理解其机制。

“那是我们学习进入的地方，”贝克汉姆说。“过去的丙烯腈价格已经见证了过去的大波动，这反过来导致碳纤维的采用率降低，用于制造汽车和飞机较轻的重量。如果您可以通过提供丙烯腈的新原料来稳定丙烯腈价格，在这种情况下，在这种情况下，来自木质纤维素生物量的可再生性糖，我们可能能够使碳纤维更便宜，更广泛地用于日常运输应用。“

为了开发新的思路，使丙烯腈制造从可再生原料中的丙烯腈制造，在几年前，能源部（DOE）征集了一项提案：是否可以从植物废料中制备丙烯腈？这些材料包括玉米秸秆，小麦秸秆，稻草，木屑等。它们基本上是植物的可口部分，可以分解成糖，然后可以转换为大量的基于生物的产品日常使用，如燃料等乙醇或其他化学品。

“如果我们能够以经济上可行的方式做到这一点，它可能会从石油中脱钩丙烯腈价格，并提供绿色碳纤维替代品使用化石燃料，”贝克汉姆说。

贝克汉姆和团队向前迈进了发展不同的过程。NRER工艺服用衍生自废植物材料的糖，并将那些转化为称为3-羟基丙酸（3-HP）的中间体。该团队随后使用简单的催化剂和新化学，被称为氮化，以高产率转化为丙烯腈的3-HP。用于腈化学的催化剂比基于石油的方法中使用的催化剂昂贵的速度较低约三倍，并且这是一个更简单的过程。化学是吸热的，所以它不会产生过量的热量，与基于石油的过程不同，它不会产生含有毒性氰化氢的毒性副产品。相反，基于生物的过程仅生产水和醇作为其副产物。

从绿色化学的角度来看，基于生物的丙烯腈生产过程具有多种在今天使用的基于石油的过程中的优势。“这是研究的关键，”贝克汉姆说。

XSEDE在化学中的角色

贝克汉姆对XSEDE，极端科学和工程发现环境没有陌生人，这些科学基金会资助。他一直在使用XSEDE资源，包括Stumpede1，桥梁，彗星，现在是Stupeede2，担任主要调查员大约九年。Stampede1和Stampede2（Top500列表中的当前＃12）由Texas高级计算中心部署和维护。

为该项目进行的大多数生物和化学研究是实验性的，但腈化学的机制仅在该团队首先假设。招募了一名博士后研究人员，纳尔埃尔·瓦尔·沃洛托·尼克克罗夫，招募在踩踏事件1上运行周期性的密度泛函理论计算，以及NREL的机器，以阐明这种新化学的机制。

在StupeDe1上超过了大约两个月，几百万天度CPU - 小时，研究人员能够在这种新的催化过程的化学上阐明光线。“斯托洛托·尼科夫说：”实验和计算很好地排列。“

因为他们在Stumpede1上进行了分配，所以他们能够迅速转向一个完整的机械画面，这些机械师描绘了这种化学方式的工作。“这将有助于我们和其他人进一步发展这种化学和设计催化剂和过程，”Vorotnikov说。“XSEDE和Stampede1的预测指向如何改善氮化化学的前进方式，我们如何将其应用于其他分子，以及我们如何为行业制造其他可再生产品。”

“在初步的实验发现之后，我们想快速锻炼这项工作，”贝克汉姆继续。“Stampede1提供了大量的带宽，用于做这些昂贵的计算密集密度的功能理论计算。它快速且易于使用，只是一台很棒的机器，可以做这些计算，让我们在几个月的几个问题中旋转机械工作。“

下一步

有一个大型的化学家，生物学家和化学工程师社区，正在开发从植物废料而不是石油中制作日常化学品和材料的方法。研究人员在用丙烯腈之前尝试过这件事。但在开发高收益流程的背景下，没有人在开发具有这种特定产品的可能商业潜力的背景下成功。随着他们的新发现，团队希望这项工作能够越早过渡到工业而不是以后。

立即下一步正在缩放处理以产生50千克丙烯腈。研究人员正在与包括催化剂公司在内的几家公司合作，为试点规模运营产生必要的催化剂;农业公司帮助扩大生物学，从糖生产3汞;一项调整分离和催化过程的研究所;碳纤维公司生产来自生物基丙烯腈的碳纤维;和汽车制造商以测试所得复合材料的机械性能。

“我们也会做更多的基础研究，”贝克汉姆说。“除了缩放丙烯腈生产之外，我们也很兴奋正在使用这种强大的，强大的化学方法来制作人们可以从基于生物的资源使用的其他日常材料。有很多应用于腈类 - 我们尚未发现的应用程序。“

出版物：Eric M. Karp等，“可再生丙烯腈生产，”2017年12月8日科学：卷。 358，第6368页，第1307-1310页; DOI：10.1126 / science.aan1059.