新材料助力生物燃料、石油加工发展

来源：University of Minnesota

由明尼苏达大学领导的研究团队使用世界上最大的超级计算机，识别出了一系列有望提高乙醇和石油产品生产的材料。这一发现有望提高工业生产效率，节约成本。

明尼苏达大学已有两项专利在申请中，希望能获得这些技术许可。研究成果发表于Nature Communications期刊上。

被称为沸石的石油化工和生物燃料加工用材料，作为分子筛对化合物进行分类、过滤及诱捕，同时催化生产和浓缩来自于可再生石油资源的燃料及原料所必需的化学反应。沸石的种类已知有超过2000种，同时预测存在数十万种变形。提高生物燃料和石油化工加工的关键是寻求最佳的沸石。

不幸地是，在实验室合成新型沸石是一项长期且复杂的过程，每合成一个可能需要花费数个月之久。分析所有已知和预测的结构将耗费几十年的时间。来自明尼苏达大学和莱斯大学的研究人员反其道而行，开发了一种复杂的计算筛选程序，在虚拟中筛选数千种沸石，并鉴定它们在特殊应用中的性能。这降低了实验室中试验的必要以及实验的失误。

明尼苏达大学化学教授、明尼苏达纳米多孔材料基因组中心（由美国能源部资助）首席研究员Ilja Siepmann表示：“利用阿贡国家实验室的超级计算机，通过模拟计算可以将实验室数十年的研究压缩到总计约一天的计算量。”

沸石性能的预测需要很高的计算功率、高效的算法以及分子间相互作用的精确描述。该团队的软件利用拥有近800,000个处理器的超级计算机Mira。该超级计算机一天的计算量，单个处理器计算机需运行一千万小时。计算主要用于确定沸石的两个复杂问题。

研究人员解决的第一个问题是目前生物燃料生产过程中乙醇的多步提纯工艺。其中最后一个步骤是将乙醇从水中分离。研究人员发现几个具有优异性能的全硅沸石，这些全硅沸石含有孔和通道，可以容纳乙醇分子，同时可避免与水分子形成氢键。其中的一个沸石，经明尼苏达大学化学工程与材料科学Michael Tsapatsis教授实验室制备和测试，发现可以非常有效地将乙醇/水的分离过程由多级的蒸馏过程转变为单级的吸附过程。类似的沸石材料同样有望应用于生物燃料和石油化工中的分离过程。

第二个问题，研究人员的目标在于将石油化合物浓缩成具有更高价值的润滑油和柴油产品。他们确定了一些沸石骨架，有望提高线性长链向少量支链烷烃分子转化的脱蜡过程，从而影响润滑油和其他石油产品的凝点和粘度。

论文合作者、莱斯大学生物工程系主任、物理学和天文学教授Michael Deem 表示：“我们正在寻找那些具有令人感兴趣性能的材料，并且在这里实现这些性能。”