2，3-丁二醇的部分状态密度，附带部分电荷密度图像；0.0075电子/玻尔3的等值面。灰色、红色、棕色和粉红色的球体分别是钌、氧、碳和氢原子。credit:DOI:10.3389/fenrg . 2021.781001开发可持续航空燃料的一个长期被忽视的第一步是从分子成分的正确配置开始。华盛顿州立大学和太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员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。这项工作已经发表在《能源研究前沿》杂志上。
“这是一个有用模型的第一步，”吉恩·萨宾·麦克尤恩说，她是基因和琳达·沃兰德化学工程和生物工程学院的副教授，也是这篇论文的通讯作者之一。
为了解决全球变暖问题，航空业承诺到2050年将碳排放量减半。研究小组声称，可持续的生物燃料为石油燃料提供了一种有前途的替代品，可以减少80%的排放。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的、不可食用的部分将是主要的候选物。然而，将它廉价而有效地转化为必要的成分一直是个挑战。
一种可能性是将木质素衍生的醇转化为丁烯，丁烯是喷气燃料的一种有用成分。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的最佳设置对于随后使用最少的能量是至关重要的。研究人员必须拥有精确代表实验条件的计算模型。
“如果你有一个糟糕的开始结构，那么你最终会在一个可能不相关的反应上花费大量的计算机时间，”PNNL的高级研究员、该论文的通讯作者之一Vassiliki-Alexandra(Vanda)Glezakou说。“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，以便发生这种反应。我们也可以在其他系统中借鉴这一经验。”
在这种情况下，醇分子有四个之字形碳原子和两组氢和氧分子。催化剂是氧化钌。人们还不知道分子如何与催化剂表面相互作用，以及每个碳原子将去向何处。由于对将两种分子结合在一起的基本反应缺乏了解，研究人员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一种催化剂，你首先需要了解反应是如何进行的，这是极其复杂的，”麦克尤恩说。
在他们的基础研究中，研究人员使用了Glezakou和他的团队最近开发的名为西北势能面搜索引擎(NWPEsSe)的全球优化程序，该程序可供其他研究人员下载和使用，以找到分子的最佳设置。从大约20，000种不同的结构开始，计算机程序分析、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，”麦克尤恩说。“我不确定我能在有生之年完成20，000个建筑。”
研究人员希望该计算机程序可以在未来用于更好地设计催化反应，并改善其他复杂和具有挑战性的工业化学转化过程。
“幸运的是，NWPEsSe可以帮助解决这样的问题，”Glezakou说。
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