Den kemiska och närstående industrier står inför sådana utmaningar som lätt tillgång till pålitlig energiförsörjning, minskning av avfall, vattenbesparing, och energieffektivitet. Organisk elektrosyntes - en elektricitetsdriven, energieffektiv process som enkelt kan integreras med förnybara energikällor – kan hjälpa till att lösa dem.

Ett team vid NYU Tandon School of Engineering rapporterade att i sitt sökande efter att utveckla en innovativ, miljövänlig process för att tillverka adiponitril (ADN) - den huvudsakliga föregångaren till nylon 6, 6 — den hittade ett sätt att avsevärt förbättra effektiviteten av organisk elektrosyntes. Forskarna tillskriver sin framgång delvis till vad de tror är den första användningen av artificiell intelligens för att optimera en elektrokemisk process.

Miguel Modestino, professor i kemisk och biomolekylär teknik, och doktoranden Daniela Blanco justerade hur elektrisk ström levereras till katalytiska elektroder och applicerade sedan artificiell intelligens (AI) för att ytterligare optimera reaktionen. Genom att göra det uppnådde de en 30% förbättring av ADN-produktionen

Resultaten, detaljerat i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ), kan få stora konsekvenser eftersom teamet siktar på en av de största organiska elektrosyntesprocesserna i den kemiska industrin:elektrohydrodimerisering av akrylonitril (AN) till ADN.

Efterfrågan på ADN är hög och växer:Marknaden för nylon förväntas öka med 4% årligen fram till 2023. Endast ett företag använder för närvarande en Monsanto-uppfunnen elektrokemisk process för att göra ADN; lejonparten av nylonprekursorn görs via en giftig, energiintensiv termisk hydrocyanering av butadien. Däremot elektrosyntes av ADN är en grön, effektiv, kemisk process som använder vattenbaserade elektrolyter och kan kopplas direkt med förnybara elkällor som vind eller solljus.

Standardelektrosyntesprocessen för ADN använder en "alltid på" elektrisk likström som levereras till den elektrokatalytiska platsen. Men NYU Tandon-forskarna fann att en likström inte maximerade uteffekten av ADN och genererade en hel del av den oönskade biprodukten propionitril (PN). De bestämde sig för att konstruera ett system som levererar en intermittent ström för att ständigt fylla på reagenskoncentrationen vid den elektrokatalytiska platsen (ett fenomen som kallas masstransport) och förbättra ADN-utgången.

Paret försåg ett artificiellt neuralt nätverk med data från 16 olika experimentella fall av pulstider.

"Genom att analysera elektrokemiska pulstekniker med AI, vi kunde visualisera ADN-konverteringseffektiviteten över ett antal pulstider utan att behöva göra mer än några fysiska experiment, "sa Modestino." Denna innovativa, integrerat tillvägagångssätt ledde till en oöverträffad 30% förbättring av ADN -produktionen och en 325% ökning av förhållandet mellan ADN och PN, främst på grund av en stor minskning av produktionen av den senare."

Blanco förklarade att denna teknik skulle kunna främja industrins antagande av mer hållbara processer. Det var precis vad hon och en före detta student i Modestinos laboratorium tänkte sig när de grundade ett grönkemiskt startföretag, Sunthetics, att kommersialisera en hållbar nylonproduktionsprocess baserad på deras forskning.

"Vi ville visa med denna nya forskning att vi kan göra ADN elektrokemiska process mer konkurrenskraftig, ", sa hon. "För närvarande använder endast 30 % av den globala ADN-produktionen elektrosyntes; resten av produktionen innebär bearbetning över en energi- och oljeintensiv katalytisk reaktor, " Hon sa.

Nästa steg för teamet blir att använda denna AI-metod för att påskynda sina forskningsarbeten. "Istället för att använda en klassisk forskningsmodell som involverar långa experimentella kampanjer, AI-verktyg kan hjälpa oss att förutsäga experimentella resultat. Som vi förstår det, detta är första gången AI har använts för att optimera en elektrokemisk process, sa Modestino.