3月1日迈向最佳生物燃料生产的第一步

开发可持续航空燃料的一个长期被忽视的第一步是从正确配置分子成分开始。华盛顿州立大学和太平洋西北国家实验室(PNNL)的一个研究小组最近发现了理想的原子相互作用，最好的起点是将地球上最丰富的植物材料木质素催化转化为航空燃料的成分。这项工作已发表在《能源研究前沿》杂志上。

“这是一种零基础——你需要一个有用的模型的第一件事，”吉恩和琳达沃兰德化学工程与生物工程学院副教授、该论文的共同通讯作者让-萨宾麦克尤恩说。

为了解决全球变暖问题，航空业已承诺到2050年将其碳排放量减少一半。研究小组声称，可持续的生物基燃料是石油基燃料的一种有前途的替代品，可以将排放量减少80%。由于其在世界范围内的丰富性，被称为木质纤维素的植物的木质、不可食用部分将成为主要候选者。然而，将其廉价而有效地转化为必要的成分一直具有挑战性。

一种可能性是将木质素衍生的醇转化为丁烯，丁烯是喷气燃料的有用成分。但是，在复杂的醇分子和反应所需的催化剂之间的分子水平上进行最佳设置对于以后使用最少的能量至关重要。研究人员必须拥有能够准确表示实验条件的计算模型。

PNNL高级研究员、该论文的共同通讯作者Vassiliki-Alexandra(Vanda)Glezakou说：“如果你的起始结构不好，那么你最终会在可能不相关的反应上花费大量计算机时间。”.“在这里，我们能够专注于正确的分子排列，我们实际上正在学习原子和分子如何相互作用以使这种反应发生。我们也可以在这种学习的基础上为其他系统构建。”

在这种情况下，酒精分子有四个曲折的碳原子和两组氢和氧分子。催化剂是氧化钌。目前尚不清楚分子将如何与催化剂表面相互作用以及每个碳原子将去哪里。由于对将两个分子结合在一起的基本反应了解不足，研究人员反而进行了复杂而昂贵的计算，但没有找到反应的最佳解决方案。

“如果你想合理地设计催化剂，你首先需要了解反应是如何进行的，这非常复杂，”麦克尤恩说。

对于他们的基础研究，研究人员使用了Glezakou和团队最近开发的称为西北势能表面搜索引擎(NWPEsSe)的全局优化程序，该程序可供其他研究人员公开下载和使用，以找到最佳设置分子。_从大约20,000种不同的配置开始，计算机程序随后分析、排序并提供了一些最好的、最有利的结构。

“这对于我通常使用的代码来说是绝对不可能的，”McEwen说。“我不确定我一生能做20,000个结构。”

研究人员希望未来可以使用该计算机程序来更好地设计催化反应并改进其他复杂且具有挑战性的工业化学转化过程。

“幸运的是，NWPEsSe可以帮助解决此类问题，”Glezakou说。

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