用更環保的生物化合物來替代化石燃料製造碳纖維

此圖顯示的催化反應器用於將化學中間體轉化為丙烯腈。這項研究工作是可再生碳纖維結構組合的一部分。資料來源：Dennis Schroeder / NREL

從製造汽車和自行車到飛機和航天飛船，世界各地的製造商都在儘力使這些汽車重量變得更輕，這會有助於降低燃料的使用量，減少環境污染。

碳纖維複合材料是在過去幾十年中使得汽車，自行車，飛機和其他交通工具重量變得更輕的一種新型製造材料。碳纖維複合材料是鋼材強度的五倍，剛性的兩倍，同時重量可以大大減輕，使其成為許多汽車零部件的理想製造材料。 但是目前行業依靠石油製品來生產碳纖維，我們可以改用可再生能源來代替嗎？

在2017年12月的「科學」雜誌上，可再生能源國家實驗室（NREL）的研究組長Gregg Beckham和一個跨學科研究團隊報告了將木質纖維素生物化合物轉化為生物化學品丙烯腈的實驗和計算研究結果，這是製造碳纖維的關鍵部分。

Acrlyonitrile是一種大型商用化學品，目前通過複雜的石油工藝在進行大規模工業生產。 來源於石油或天然氣的丙烯與氨氣，氧氣以及絡合催化劑混合反應會產生大量的熱量和氰化氫，這是一種有毒的副產品。 目前用於製備丙烯腈的催化劑也相當複雜和昂貴，研究人員對其機理還不完全了解。

貝克漢姆說：「這就是我們需要學習的地方。 「過去丙烯腈價格大幅波動，導致碳纖維在汽車和飛機減輕重量方面的使用率下降，如果能通過使用一種來自木質纖維素新型生物化合物的可再生原料糖來穩定丙烯腈的價格，我們這樣做能夠使碳纖維變得更便宜，更廣泛地應用於日常運輸領域中去。」

為了實現充分開發利用可再生原料來製造丙烯腈的新想法，美國能源部（DOE）幾年前徵求了一個提案，他問道：是否可以用植物廢料製造丙烯腈？ 這些材料包括玉米秸稈，小麥秸稈，稻草，木屑等。它們基本上是植物不可食用的部分，可以分解成糖，然後可以轉化為大量的生物產品如乙醇或其他化學品等燃料日常使用。

貝克漢姆說：「如果我們能夠以經濟可行的方式做到這一點，它可能就會將丙烯腈的價格與石油價格分離，並應用一種更環保的碳纖維來替代使用化石燃料。」

貝克漢姆和他的研究團隊在發展不同的工藝過程上向前邁出了一大步。NREL工藝過程從廢物植物材料中提取糖，並將其轉化為一種叫做3-羥基丙酸(3-HP)的中間體。研究小組隨後使用了一種簡單的催化劑以及被稱作腈化的新型化學物質，將3-HP轉化為高產量的丙烯腈。用於氮化化學的催化劑比以石油為基礎的工藝過程中使用的催化劑要便宜三倍，而且這是一個更簡單的過程。這種化學物質是吸熱的，所以它不會產生過多的熱量，而且不像石油生產過程那樣，它不會產生有毒的副產品氫氰化物。相反，以生物為基礎的工藝過程只生產水和酒精這種副產品。

從綠色環保化學的角度來看，生物丙烯腈生產工藝與目前使用的石油工藝相比具有多重優勢。 「這是我們研究的關鍵，」貝克漢姆說。

照片由左至右分別是Adam Bratis，VioletaSàncheziNogué，Todd Eaton，Gregg Beckham，Vassili Vorotnikov和Eric Karp，NREL團隊的成員之一，致力於開發可再生生物製造丙烯腈和碳纖維的具有價格競爭力的可再生工藝。 資料來源：可再生能源國家實驗室

XSEDE在化學中的作用

貝克漢姆對於由美國國家科學基金會資助的極限科學和工程環境探索的XSEDE並不陌生。 他一直在使用XSEDE的資源，包括Stampede1，Bridges，Comet和目前的Stampede2，他作為主要調查人員已有九年的時間。 德州高級計算中心部署並維護了Stampede1和Stampede2（目前在Top500榜單中排名第12）。

本研究課題所進行的生物記憶化學研究大多是屬於實驗性的，但腈化化學的作用機理尚不清楚。NREL的研究小組的博士後研究員Vassili Vorotnikov被聘請來對Stampede1和NREL的機器進行周期性密度泛函理論計算，來闡明這種化學的新機理。

研究人員在Stampede1上花費了大約兩個月的時間和幾百萬的CPU空間，研究人員能夠揭示這種新型催化過程的化學反應。 沃羅尼科夫說：「研究的實驗和計算結果都很好。」

因為他們在Stampede1上進行配置，他們能夠迅速地完成這個化學過程的完整的機械圖。「這將幫助我們和其他人進一步研究這種化學反應，並更合理地設計催化劑及其工藝，」Vorotnikov說。 「XSEDE和Stampede1的預測正在指出如何改進腈化化學的方法，如何將其應用於其他分子，以及如何為工業製造其他可再生產品。

貝克漢姆繼續說：「經過最初的實驗發現之後，我們希望儘快完成這項工作。 「Stampede1提供了大量的寬頻來完成這些昂貴、密集型的密度泛函理論計算。這是一種快速且又容易獲得的設備，進行這樣的計算可以讓我們在短短几個月內就能完成機械工作。」

下一步

有大量的化學家，生物學家和化學工程師正在開發利用植物廢料而不是石油來生產日常化學品和材料的方法。 研究人員之前曾嘗試用丙烯腈來完成這一想法。 但是，在開發具有潛在商業潛力的這種高產量特定產品的工藝背景下，沒有人取得成功。 隨著他們的新發現，研究團隊希望這項工作能夠儘早過渡到工業領域。

接下來的步驟是將工藝過程擴大到生產50公斤的丙烯腈。 研究人員正在與包括催化劑公司在內的多家公司展開合作，為規模化生產提供必要的催化劑; 一家農業公司幫助擴大生物化合物生產規模來從糖中產生3-HP;其研究機構擴大分離和催化工藝過程的規模; 碳纖維公司用生物化合物丙烯腈生產碳纖維;一家汽車製造商測試所得的複合材料機械性能。

貝克漢姆說：「我們也將進行更多的基礎研究。「除了擴大丙烯腈的生產規模，我們也很興奮地使用這種強大的化學物質來製造可以從生物界資源中使用的其他日常材料。在那裡有許多我們還沒有發現的腈類應用。」

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