『技术』用更环保的生物化合物来替代化石燃料制造碳纤维

摘要

文章介绍了一种利用可再生资源制造碳纤维关键前体——丙烯腈的新技术。该技术由NREL研究团队开发，通过生物化合物转化实现，成本更低且环保。新工艺使用3-HP作为中间体，通过新型催化剂和化学物质进行腈化反应，转化率高且副产品无害。研究揭示了催化过程的机理，为工业制造提供了从生物质资源生产丙烯腈的途径。该技术有望降低碳纤维成本，推动其在轻量化领域的应用，并有望用于制造其他可再生材料。

正文

　　此图显示的催化反应器用于将化学中间体转化为丙烯腈。这项研究工作是可再生碳纤维结构组合的一部分。资料来源：Dennis Schroeder / NREL

　　从制造汽车和自行车到飞机和航天飞船，世界各地的制造商都在尽力使这些汽车重量变得更轻，这会有助于降低燃料的使用量，减少环境污染。

　　碳纤维复合材料是在过去几十年中使得汽车，自行车，飞机和其他交通工具重量变得更轻的一种新型制造材料。碳纤维复合材料是钢材强度的五倍，刚性的两倍，同时重量可以大大减轻，使其成为许多汽车零部件的理想制造材料。 但是目前行业依靠石油制品来生产碳纤维，我们可以改用可再生能源来代替吗？

　　在2017年12月的“科学”杂志上，可再生能源国家实验室（NREL）的研究组长Gregg Beckham和一个跨学科研究团队报告了将木质纤维素生物化合物转化为生物化学品丙烯腈的实验和计算研究结果，这是制造碳纤维的关键部分。

　　Acrlyonitrile是一种大型商用化学品，目前通过复杂的石油工艺在进行大规模工业生产。 来源于石油或天然气的丙烯与氨气，氧气以及络合催化剂混合反应会产生大量的热量和氰化氢，这是一种有毒的副产品。 目前用于制备丙烯腈的催化剂也相当复杂和昂贵，研究人员对其机理还不完全了解。

　　贝克汉姆说：“这就是我们需要学习的地方。 “过去丙烯腈价格大幅波动，导致碳纤维在汽车和飞机减轻重量方面的使用率下降，如果能通过使用一种来自木质纤维素新型生物化合物的可再生原料糖来稳定丙烯腈的价格，我们这样做能够使碳纤维变得更便宜，更广泛地应用于日常运输领域中去。”

　　为了实现充分开发利用可再生原料来制造丙烯腈的新想法，美国能源部（DOE）几年前征求了一个提案，他问道：是否可以用植物废料制造丙烯腈？ 这些材料包括玉米秸秆，小麦秸秆，稻草，木屑等。它们基本上是植物不可食用的部分，可以分解成糖，然后可以转化为大量的生物产品如乙醇或其他化学品等燃料日常使用。

　　贝克汉姆说：“如果我们能够以经济可行的方式做到这一点，它可能就会将丙烯腈的价格与石油价格分离，并应用一种更环保的碳纤维来替代使用化石燃料。”

　　贝克汉姆和他的研究团队在发展不同的工艺过程上向前迈出了一大步。NREL工艺过程从废物植物材料中提取糖，并将其转化为一种叫做3-羟基丙酸(3-HP)的中间体。研究小组随后使用了一种简单的催化剂以及被称作腈化的新型化学物质，将3-HP转化为高产量的丙烯腈。用于氮化化学的催化剂比以石油为基础的工艺过程中使用的催化剂要便宜三倍，而且这是一个更简单的过程。这种化学物质是吸热的，所以它不会产生过多的热量，而且不像石油生产过程那样，它不会产生有毒的副产品氢氰化物。相反，以生物为基础的工艺过程只生产水和酒精这种副产品。

　　从绿色环保化学的角度来看，生物丙烯腈生产工艺与目前使用的石油工艺相比具有多重优势。 “这是我们研究的关键，”贝克汉姆说。

　　照片由左至右分别是Adam Bratis，VioletaSàncheziNogué，Todd Eaton，Gregg Beckham，Vassili Vorotnikov和Eric Karp，NREL团队的成员之一，致力于开发可再生生物制造丙烯腈和碳纤维的具有价格竞争力的可再生工艺。 资料来源：可再生能源国家实验室

　　XSEDE在化学中的作用

　　贝克汉姆对于由美国国家科学基金会资助的极限科学和工程环境探索的XSEDE并不陌生。 他一直在使用XSEDE的资源，包括Stampede1，Bridges，Comet和目前的Stampede2，他作为主要调查人员已有九年的时间。 德州高级计算中心部署并维护了Stampede1和Stampede2（目前在Top500榜单中排名第12）。

　　本研究课题所进行的生物记忆化学研究大多是属于实验性的，但腈化化学的作用机理尚不清楚。NREL的研究小组的博士后研究员Vassili Vorotnikov被聘请来对Stampede1和NREL的机器进行周期性密度泛函理论计算，来阐明这种化学的新机理。

　　研究人员在Stampede1上花费了大约两个月的时间和几百万的CPU空间，研究人员能够揭示这种新型催化过程的化学反应。 沃罗尼科夫说：“研究的实验和计算结果都很好。”

　　因为他们在Stampede1上进行配置，他们能够迅速地完成这个化学过程的完整的机械图。“这将帮助我们和其他人进一步研究这种化学反应，并更合理地设计催化剂及其工艺，”Vorotnikov说。 “XSEDE和Stampede1的预测正在指出如何改进腈化化学的方法，如何将其应用于其他分子，以及如何为工业制造其他可再生产品。

　　贝克汉姆继续说：“经过最初的实验发现之后，我们希望尽快完成这项工作。 “Stampede1提供了大量的宽带来完成这些昂贵、密集型的密度泛函理论计算。这是一种快速且又容易获得的设备，进行这样的计算可以让我们在短短几个月内就能完成机械工作。”

　　下一步

　　有大量的化学家，生物学家和化学工程师正在开发利用植物废料而不是石油来生产日常化学品和材料的方法。 研究人员之前曾尝试用丙烯腈来完成这一想法。 但是，在开发具有潜在商业潜力的这种高产量特定产品的工艺背景下，没有人取得成功。 随着他们的新发现，研究团队希望这项工作能够尽早过渡到工业领域。

　　接下来的步骤是将工艺过程扩大到生产50公斤的丙烯腈。 研究人员正在与包括催化剂公司在内的多家公司展开合作，为规模化生产提供必要的催化剂; 一家农业公司帮助扩大生物化合物生产规模来从糖中产生3-HP;其研究机构扩大分离和催化工艺过程的规模; 碳纤维公司用生物化合物丙烯腈生产碳纤维;一家汽车制造商测试所得的复合材料机械性能。

　　贝克汉姆说：“我们也将进行更多的基础研究。“除了扩大丙烯腈的生产规模，我们也很兴奋地使用这种强大的化学物质来制造可以从生物界资源中使用的其他日常材料。在那里有许多我们还没有发现的腈类应用。”