Van auto's en fietsen tot vliegtuigen en spaceshuttles, fabrikanten over de hele wereld proberen deze voertuigen lichter te maken, wat helpt het brandstofverbruik te verlagen en de ecologische voetafdruk te verkleinen.

Een manier waarop auto's, fietsen, vliegtuigen en andere vervoerswijzen de afgelopen decennia lichter zijn geworden, is door het gebruik van koolstofvezelcomposieten. Koolstofvezel is vijf keer sterker dan staal, twee keer zo stijf, en aanzienlijk lichter, waardoor het het ideale productiemateriaal is voor veel onderdelen. Maar nu de industrie afhankelijk is van aardolieproducten om koolstofvezel te maken, kunnen we in plaats daarvan hernieuwbare bronnen gebruiken?

In het decembernummer van 2017 Wetenschap , Gregg Beckham, een groepsleider bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL), en een interdisciplinair team rapporteerde de resultaten van experimenteel en computationeel onderzoek naar de omzetting van lignocellulosische biomassa in een biogebaseerde chemische stof genaamd acrylonitril, de belangrijkste voorloper van de productie van koolstofvezel.

Acrlyonitril is een groot chemisch product, en het wordt tegenwoordig gemaakt via een complex op aardolie gebaseerd proces op industriële schaal. propyleen, die is afgeleid van olie of aardgas, wordt gemengd met ammoniak, zuurstof, en een complexe katalysator. De reactie genereert grote hoeveelheden warmte en waterstofcyanide, een giftig bijproduct. De katalysator die tegenwoordig wordt gebruikt om acrylonitril te maken, is ook vrij complex en duur, en onderzoekers begrijpen het mechanisme ervan nog steeds niet volledig.

"Dat is waar onze studie van pas komt, Beckham zei. "Acrylonitrilprijzen hebben in het verleden grote schommelingen gekend, wat op zijn beurt heeft geleid tot lagere acceptatiepercentages voor koolstofvezels om auto's en vliegtuigen lichter te maken. Als u de prijs van acrylonitril kunt stabiliseren door een nieuwe grondstof te leveren om acrylonitril te maken, in dit geval hernieuwbare suikers uit lignocellulosebiomassa, we zouden koolstofvezel misschien goedkoper kunnen maken en op grotere schaal kunnen gebruiken voor alledaagse transporttoepassingen."

Om nieuwe ideeën te ontwikkelen om acrylonitrilproductie te maken uit hernieuwbare grondstoffen, het Department of Energy (DOE) vroeg enkele jaren geleden om een ​​voorstel met de vraag:is het mogelijk om acrylonitril te maken van plantaardig afvalmateriaal? Deze materialen omvatten maisstoof, tarwestro, rijststro, houtsnippers, enz. Ze zijn in feite het oneetbare deel van de plant dat kan worden afgebroken tot suikers, die vervolgens kunnen worden omgezet in een groot aantal biobased producten voor dagelijks gebruik, zoals brandstoffen zoals ethanol of andere chemicaliën.

"Als we dit op een economisch haalbare manier zouden kunnen doen, het kan de prijs van acrylonitril mogelijk loskoppelen van aardolie en een groen koolstofvezelalternatief bieden voor het gebruik van fossiele brandstoffen, ' zei Beckham.

Beckham en het team gingen verder om een ​​ander proces te ontwikkelen. Het NREL-proces neemt suikers die zijn afgeleid van plantaardig afvalmateriaal en zet die om in een tussenproduct dat 3-hydroxypropionzuur (3-HP) wordt genoemd. Het team gebruikte toen een eenvoudige katalysator en nieuwe chemie, nagesynchroniseerde nitrilatie, om 3-HP met hoge opbrengsten om te zetten in acrylonitril. De katalysator die wordt gebruikt voor de nitrilatiechemie is ongeveer drie keer goedkoper dan de katalysator die wordt gebruikt in het op aardolie gebaseerde proces en het is een eenvoudiger proces. De chemie is endotherm, dus het produceert geen overtollige warmte, en in tegenstelling tot het op aardolie gebaseerde proces, het produceert niet het giftige bijproduct waterstofcyanide. Liever, het biogebaseerde proces produceert alleen water en alcohol als bijproducten.

Vanuit een groene chemie perspectief, het biogebaseerde acrylonitrilproductieproces heeft meerdere voordelen ten opzichte van het op aardolie gebaseerde proces dat tegenwoordig wordt gebruikt. "Dat is de kern van de studie, ' zei Beckham.

De rol van XSEDE in de chemie

Beckham is geen onbekende voor XSEDE, de eXtreme Science and Engineering Discovery Environment die wordt gefinancierd door de National Science Foundation. Hij heeft XSEDE-bronnen gebruikt, inclusief Stampede1, Bruggen, Komeet en nu Stampede2, ongeveer negen jaar als hoofdonderzoeker. Stampede1 en Stampede2 (momenteel #12 op de Top500-lijst) worden geïmplementeerd en onderhouden door het Texas Advanced Computing Center.

Het meeste biologische en scheikundige onderzoek dat voor dit project is uitgevoerd, was experimenteel, maar het mechanisme van de nitrilatiechemie werd eerst door het team verondersteld. Een postdoctoraal onderzoeker in het team, Vassili Vorotnikov van NREL, werd aangeworven om periodieke dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit te voeren op Stampede1 en de machines bij NREL om het mechanisme van deze nieuwe chemie op te helderen.

Gedurende ongeveer twee maanden en enkele miljoenen CPU-uren gebruikt op Stampede1, the researchers were able to shed light on the chemistry of this new catalytic process. "The experiments and computations lined up nicely, " Vorotnikov said.

Because they had an allocation on Stampede1, they were able to rapidly turn around a complete mechanistic picture of how this chemistry works. "This will help us and others to develop this chemistry further and design catalysts and processes more rationally, " Vorotnikov said. "XSEDE and the predictions of Stampede1 are pointing the way forward on how to improve nitrilation chemistry, how we can apply it to other molecules, and how we can make other renewable products for industry."

"After the initial experimental discovery, we wanted to get this work out quickly, " Beckham continued. "Stampede1 afforded a great deal of bandwidth for doing these expensive, computationally intensive density functional theory calculations. It was fast and readily available and just a great machine to do these kind of calculations on, allowing us to turn around the mechanistic work in only a matter of months."

Next Steps

There's a large community of chemists, biologists and chemical engineers who are developing ways to make everyday chemicals and materials from plant waste materials instead of petroleum. Researchers have tried to do this before with acrylonitrile. But no one has been as successful in the context of developing high yielding processes with possible commercial potential for this particular product. With their new discovery, the team hopes this work makes the transition into industry sooner rather than later.

The immediate next step is scaling the process up to produce 50 kilograms of acrylonitrile. The researchers are working with several companies including a catalyst company to produce the necessary catalyst for pilot-scale operation; an agriculture company to help scale up the biology to produce 3-HP from sugars; a research institute to scale the separations and catalytic process; a carbon fiber company to produce carbon fibers from the bio-based acrylonitrile; and a car manufacturer to test the mechanical properties of the resulting composites.

"We'll be doing more fundamental research as well, " Beckham said. "Beyond scaling acrylonitrile production, we are also excited about is using this powerful, robust chemistry to make other everyday materials that people can use from bio-based resources. There are lots of applications for nitriles out there—applications we've not yet discovered."