Från bilar och cyklar till flygplan och rymdfärjor, tillverkare runt om i världen försöker göra dessa fordon lättare, vilket hjälper till att minska bränsleförbrukningen och minska miljöpåverkan.

Ett sätt som bilar, cyklar, flygplan och andra transportsätt har blivit lättare under de senaste decennierna genom att använda kolfiberkompositer. Kolfiber är fem gånger starkare än stål, dubbelt så stel, och betydligt lättare, vilket gör det till det idealiska tillverkningsmaterialet för många delar. Men med industrin som förlitar sig på petroleumprodukter för att tillverka kolfiber idag, kan vi istället använda förnybara källor?

I decembernumret 2017 av Vetenskap , Gregg Beckham, en gruppledare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL), och ett tvärvetenskapligt team rapporterade resultaten av experimentella och beräkningsundersökningar om omvandling av lignocellulosisk biomassa till en biobaserad kemikalie som kallas akrylnitril, den viktigaste föregångaren till tillverkning av kolfiber.

Akrlyonitril är en stor råvarukemikalie, och det görs idag genom en komplex petroleumbaserad process i industriell skala. Propylen, som härrör från olja eller naturgas, blandas med ammoniak, syre, och en komplex katalysator. Reaktionen genererar höga mängder värme och vätecyanid, en giftig biprodukt. Katalysatorn som används för att tillverka akrylnitril idag är också ganska komplex och dyr, och forskare förstår fortfarande inte helt dess mekanism.

"Det är där vår studie kommer in, " sa Beckham. "Akrylonitrilpriserna har sett stora fluktuationer tidigare, vilket i sin tur har lett till lägre användningsgrader för kolfiber för att göra bilar och flygplan lättare. Om du kan stabilisera akrylnitrilpriset genom att tillhandahålla ett nytt råmaterial för att tillverka akrylnitril, i det här fallet socker från lignocellulosahaltig biomassa, vi kanske kan göra kolfiber billigare och mer allmänt använda för vardagliga transportapplikationer."

Att utveckla nya idéer för tillverkning av akrylnitril från förnybara råvaror, Department of Energy (DOE) begärde ett förslag för flera år sedan som frågade:Är det möjligt att göra akrylnitril från växtavfall? Dessa material inkluderar majsspis, vete strå, rishalm, träflis, etc. De är i princip den oätliga delen av växten som kan brytas ner till sockerarter, som sedan kan omvandlas till ett stort utbud av biobaserade produkter för dagligt bruk, såsom bränslen som etanol eller andra kemikalier.

"Om vi ​​kunde göra detta på ett ekonomiskt lönsamt sätt, det kan eventuellt koppla bort akrylnitrilpriset från petroleum och erbjuda ett grönt kolfiberalternativ till användning av fossila bränslen, " sa Beckham.

Beckham och teamet gick framåt för att utveckla en annan process. NREL-processen tar socker som härrör från avfallsmaterial och omvandlar dem till en mellanprodukt som kallas 3-hydroxipropionsyra (3-HP). Teamet använde sedan en enkel katalysator och ny kemi, dubbad nitrilering, för att omvandla 3-HP till akrylnitril vid höga utbyten. Katalysatorn som används för nitrileringskemin är ungefär tre gånger billigare än katalysatorn som används i den petroleumbaserade processen och det är en enklare process. Kemin är endoterm så att den inte producerar överskottsvärme, och till skillnad från den petroleumbaserade processen, den producerar inte den giftiga biprodukten vätecyanid. Snarare, den biobaserade processen producerar bara vatten och alkohol som dess biprodukter.

Ur ett grönt kemiperspektiv, den biobaserade akrylnitrilproduktionsprocessen har flera fördelar jämfört med den petroleumbaserade processen som används idag. "Det är kärnan i studien, " sa Beckham.

XSEDEs roll i kemin

Beckham är inte främmande för XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment som finansieras av National Science Foundation. Han har använt XSEDE -resurser, inklusive Stampede1, Broar, Komet och nu Stampede2, under cirka nio år som huvudutredare. Stampede1 och Stampede2 (för närvarande #12 på Top500-listan) distribueras och underhålls av Texas Advanced Computing Center.

Det mesta av den biologiska och kemiforskning som utfördes för detta projekt var experimentell, men mekanismen för nitrileringskemin antogs först först av teamet. En postdoktor i teamet, Vassili Vorotnikov från NREL, rekryterades för att köra beräkningar av funktionell teori med periodisk densitet på Stampede1 samt maskinerna vid NREL för att belysa mekanismen för denna nya kemi.

Över cirka två månader och flera miljoner CPU-timmar som används på Stampede1, forskarna kunde belysa kemin i denna nya katalytiska 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."