Des voitures et des vélos aux avions et aux navettes spatiales, les constructeurs du monde entier essaient d'alléger ces véhicules, ce qui permet de réduire la consommation de carburant et l'empreinte environnementale.

Une façon que les voitures, Vélos, les avions et autres modes de transport sont devenus plus légers au cours des dernières décennies grâce à l'utilisation de composites en fibre de carbone. La fibre de carbone est cinq fois plus résistante que l'acier, deux fois plus rigide, et sensiblement plus léger, ce qui en fait le matériau de fabrication idéal pour de nombreuses pièces. Mais avec l'industrie s'appuyant sur les produits pétroliers pour fabriquer de la fibre de carbone aujourd'hui, pourrions-nous plutôt utiliser des sources renouvelables?

Dans le numéro de décembre 2017 de Science , Gregg Beckham, chef de groupe au Laboratoire National des Energies Renouvelables (NREL), et une équipe interdisciplinaire a rapporté les résultats d'études expérimentales et informatiques sur la conversion de la biomasse lignocellulosique en un produit chimique biosourcé appelé acrylonitrile, le précurseur clé de la fabrication de fibre de carbone.

L'acrylonitrile est un produit chimique important, et il est fabriqué aujourd'hui grâce à un processus complexe à base de pétrole à l'échelle industrielle. Propylène, qui est dérivé du pétrole ou du gaz naturel, est mélangé avec de l'ammoniaque, oxygène, et un catalyseur complexe. La réaction génère de grandes quantités de chaleur et de cyanure d'hydrogène, un sous-produit toxique. Le catalyseur utilisé aujourd'hui pour fabriquer l'acrylonitrile est également assez complexe et coûteux, et les chercheurs ne comprennent toujours pas pleinement son mécanisme.

"C'est là qu'intervient notre étude, " a déclaré Beckham. " Les prix de l'acrylonitrile ont connu de grandes fluctuations dans le passé, ce qui a entraîné une baisse des taux d'adoption des fibres de carbone pour alléger les voitures et les avions. Si vous pouvez stabiliser le prix de l'acrylonitrile en fournissant une nouvelle matière première à partir de laquelle fabriquer de l'acrylonitrile, en l'occurrence des sucres d'origine renouvelable issus de la biomasse lignocellulosique, nous pourrions peut-être rendre la fibre de carbone moins chère et plus largement adoptée pour les applications de transport quotidiennes."

Développer de nouvelles idées pour fabriquer de l'acrylonitrile à partir de matières premières renouvelables, le ministère de l'Énergie (DOE) a sollicité il y a plusieurs années une proposition qui demandait :est-il possible de fabriquer de l'acrylonitrile à partir de déchets végétaux ? Ces matériaux comprennent la tige de maïs, la paille de blé, la paille de riz, les copeaux de bois, etc. Ils sont essentiellement la partie non comestible de la plante qui peut être décomposée en sucres, qui peuvent ensuite être convertis en une large gamme de produits biosourcés pour un usage quotidien, comme les carburants comme l'éthanol ou d'autres produits chimiques.

"Si nous pouvions le faire d'une manière économiquement viable, il pourrait potentiellement découpler le prix de l'acrylonitrile du pétrole et offrir une alternative verte en fibre de carbone à l'utilisation de combustibles fossiles, " a déclaré Beckham.

Beckham et l'équipe ont avancé pour développer un processus différent. Le processus NREL prend les sucres dérivés des déchets végétaux et les convertit en un intermédiaire appelé acide 3-hydroxypropionique (3-HP). L'équipe a ensuite utilisé un catalyseur simple et une nouvelle chimie, nitration surnommée, pour convertir 3-HP en acrylonitrile avec des rendements élevés. Le catalyseur utilisé pour la chimie de nitration est environ trois fois moins cher que le catalyseur utilisé dans le procédé à base de pétrole et c'est un procédé plus simple. La chimie est endothermique donc elle ne produit pas de chaleur excessive, et contrairement au procédé à base de pétrole, il ne produit pas de sous-produit toxique de cyanure d'hydrogène. Plutôt, le processus biosourcé ne produit que de l'eau et de l'alcool comme sous-produits.

Du point de vue de la chimie verte, le procédé de production d'acrylonitrile biosourcé présente de multiples avantages par rapport au procédé à base de pétrole qui est utilisé aujourd'hui. "C'est le cœur de l'étude, " a déclaré Beckham.

Le rôle de XSEDE dans la chimie

Beckham n'est pas étranger à XSEDE, l'environnement de découverte scientifique et technique eXtreme, financé par la National Science Foundation. Il utilise les ressources XSEDE, y compris Stampede1, Des ponts, Comète et maintenant Stampede2, pendant environ neuf ans en tant que chercheur principal. Stampede1 et Stampede2 (actuellement #12 sur la liste Top500) sont déployés et maintenus par le Texas Advanced Computing Center.

La plupart des recherches biologiques et chimiques menées pour ce projet étaient expérimentales, mais le mécanisme de la chimie de nitrilation n'a été qu'au début hypothétique par l'équipe. Chercheur postdoctoral dans l'équipe, Vassili Vorotnikov du NREL, a été recruté pour exécuter des calculs de théorie fonctionnelle de densité périodique sur Stampede1 ainsi que sur les machines du NREL pour élucider le mécanisme de cette nouvelle chimie.

Sur environ deux mois et plusieurs millions d'heures CPU utilisées sur Stampede1, the researchers were able to shed light on the chemistry of this new catalytic 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."

Prochaines étapes

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."