Un gruppo di ricerca interdisciplinare guidato da Gregg Beckham, un capogruppo e ingegnere senior di , il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL), ha sviluppato un processo rispettoso dell'ambiente convertire la biomassa in "acrilonitrile", un composto chiave nella produzione di fibra di carbonio.

La domanda di fibra di carbonio è aumentata in modo significativo in quanto i produttori hanno iniziato a cercare modi per alleggerire tutto, dalle biciclette agli aerei a reazione.

La fibra di carbonio è cinque volte più forte dell'acciaio, due volte più rigida e molto più leggera. Questo lo rende un materiale ideale per sostituire metalli pesanti come l'acciaio. Sfortunatamente, mentre l'uso della fibra di carbonio nei veicoli industriali li rende più efficienti in termini di consumo di carburante, la sintesi dell'acrilonitrile necessaria per produrre fibra di carbonio implica processi non rispettosi dell'ambiente.

L'acrilonitrile è una sostanza chimica di base, che viene sintetizzata usando propilene, un derivato del petrolio, in combinazione con ammoniaca, ossigeno e un catalizzatore complesso.

A parte l'uso di prodotti petroliferi, l'attuale processo di produzione impiegato per sintetizzare acrilonitrile è dannoso per l'ambiente perché produce sottoprodotti tossici come l'acido cianidrico ed è altamente esotermico (produzione di calore). I catalizzatori necessari per la produzione di acrilonitrile sono anche relativamente costosi e i loro meccanismi di azione non sono ancora ben compresi.

Queste preoccupazioni ambientali e finanziarie sono proprio quelle che i ricercatori stanno tentando di risolvere. La loro ricerca ha dimostrato che la conversione biomassa lignocellulosica - un termine scientifico che si riferisce alla materia vegetale composta da cellulosa, emicellulosa e lignina - in acrilonitrile potrebbe un giorno essere un processo più ecologicamente e finanziariamente valido nella produzione di fibra di carbonio.

Il processo sviluppato dai ricercatori prevede la derivazione di zuccheri dai materiali di scarto delle piante e la loro conversione in un composto noto come acido 3-idrossipropionico o 3-HP. Un semplice catalizzatore viene utilizzato per eseguire la nitrilazione, che converte 3-HP in acrilonitrile.

Il catalizzatore utilizzato in questo processo è meno costoso del catalizzatore utilizzato nella sintesi tradizionale dell'acrilonitrile. Inoltre, il nuovo metodo non richiede che i derivati ​​del petrolio producano, producano acido cianidrico o generino calore in eccesso, rendendolo potenzialmente più rispettoso dell'ambiente rispetto al metodo tradizionale.

"Consideriamo questa alternativa potenzialmente interessante per la produzione di fibra di carbonio e altri materiali a base di acrilonitrile come fibre acriliche per abbigliamento, LEGO, ecc., Da fonti a base biologica anziché da petrolio", ha affermato Beckham. "Siamo fiduciosi che la tecnologia di nitrilazione possa offrire un approccio alternativo con alcuni potenziali benefici (nessun sottoprodotto tossico, maggiori rese e catalizzatori più semplici) rispetto al processo basato sul petrolio per produrre acrilonitrile oggi."

I ricercatori hanno impiegato quasi due mesi e diversi milioni di ore di CPU su Stampede1, un supercomputer distribuito e gestito dal Texas Advanced Computing Center all'Università del Texas ad Austin, per illustrare la chimica di questo nuovo processo catalitico.

"Dopo la scoperta sperimentale iniziale, volevamo ottenere questo lavoro rapidamente", ha detto Beckham in una dichiarazione. “Stampede1 ha offerto una grande quantità di larghezza di banda per eseguire questi calcoli di teoria del funzionale della densità costosi e ad alta intensità di calcolo. Era veloce e prontamente disponibile ed era semplicemente un'ottima macchina per eseguire questo tipo di calcoli, permettendoci di trasformare il lavoro meccanicistico in pochi mesi ".

Qual è il prossimo passo?

Beckham e il suo team pianificano di aumentare il loro lavoro per produrre 50 kg di acrilonitrile alla scala pilota. Lo faranno in collaborazione con l'industria, ha detto.

"Questo ci consentirà di testare componenti in fibra di carbonio a base biologica per capire se le impurezze nell'acrilonitrile derivato dalla biomassa influenzeranno importanti proprietà dei materiali", ha affermato Beckham.

I ricercatori vogliono anche espandere il loro funzionamento utilizzando il processo che hanno sviluppato per produrre composti diversi dall'acrilonitrile per usi industriali. Stanno anche lavorando allo sviluppo di nuovi strumenti bio-based di sintesi di acrilonitrile.

"Ad esempio, stiamo cercando di utilizzare l'acido lattico (che è già un prodotto industriale a base biologica) anziché l'acido 3-idrossipropionico (che è ancora in fase di scala) come composto intermedio che può essere derivato biologicamente" disse Beckham.