Le industrie chimiche e affini affrontano sfide come il pronto accesso a forniture energetiche affidabili, riduzione dei rifiuti, conservazione dell'acqua, ed efficienza energetica. L'elettrosintesi organica:un'attività guidata dall'elettricità, processo efficiente dal punto di vista energetico che può facilmente integrarsi con le fonti di energia rinnovabile, potrebbe aiutare a risolverli.

Un team della NYU Tandon School of Engineering ha riferito che nella sua ricerca di sviluppare un innovativo, processo ecologico per produrre adiponitrile (ADN) - il principale precursore del nylon 6, 6—ha trovato un modo per migliorare notevolmente l'efficienza dell'elettrosintesi organica. I ricercatori hanno attribuito il loro successo in parte a quello che credono sia il primo uso dell'intelligenza artificiale per ottimizzare un processo elettrochimico.

Michele Modestino, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, e la dottoranda Daniela Blanco hanno ottimizzato il modo in cui la corrente elettrica viene erogata agli elettrodi catalitici e quindi applicato l'intelligenza artificiale (AI) per ottimizzare ulteriormente la reazione. In questo modo hanno ottenuto un miglioramento del 30% nella produzione di ADN

Le scoperte, dettagliato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), potrebbe avere importanti implicazioni poiché il team si rivolge a uno dei più grandi processi di elettrosintesi organica nell'industria chimica:l'elettroidrodimerizzazione dell'acrilonitrile (AN) in ADN.

La domanda di ADN è elevata e in crescita:si prevede che il mercato del nylon aumenterà del 4% all'anno fino al 2023. Solo un'azienda attualmente utilizza un processo elettrochimico inventato da Monsanto per produrre ADN; la parte del leone del precursore del nylon è fatta tramite un tossico, idrocianazione termica ad alta intensità energetica del butadiene. Al contrario, l'elettrosintesi dell'ADN è un verde, efficiente, processo chimico che utilizza elettroliti a base d'acqua e può essere direttamente accoppiato a fonti di energia elettrica rinnovabili come il vento o la luce solare.

Il processo elettrosintetico standard per ADN impiega una corrente elettrica continua "sempre attiva" fornita al sito elettrocatalitico. Ma i ricercatori della NYU Tandon hanno scoperto che una corrente continua non massimizzava l'uscita di ADN e generava una grande quantità di propionitrile (PN) sottoprodotto indesiderato. Hanno deciso di progettare un sistema che eroga una corrente intermittente per ricostituire costantemente la concentrazione del reagente nel sito elettrocatalitico (un fenomeno chiamato trasporto di massa) e migliorare la produzione di ADN.

La coppia ha fornito una rete neurale artificiale con i dati di 16 diversi casi sperimentali di tempi di impulso.

"Analizzando le tecniche di impulsi elettrochimici con l'intelligenza artificiale, siamo stati in grado di visualizzare l'efficienza di conversione ADN in una gamma di tempi di impulso senza dover fare più di pochi esperimenti fisici, " ha detto Modestino. "Questo innovativo, approccio integrato ha portato a un miglioramento senza precedenti del 30% nella produzione di ADN e un aumento del 325% nel rapporto tra ADN e PN, principalmente a causa di una forte diminuzione della produzione di quest'ultimo."

Blanco ha spiegato che questa tecnica potrebbe favorire l'adozione da parte dell'industria di processi più sostenibili. Questo è esattamente ciò che lei e un ex studente del laboratorio di Modestino avevano immaginato quando hanno fondato una startup di chimica verde, Sunthetics, commercializzare un processo di produzione di nylon sostenibile basato sulla loro ricerca.

"Volevamo dimostrare con questa nuova ricerca che possiamo rendere più competitivo il processo elettrochimico dell'ADN, " ha detto. "Attualmente solo il 30% della produzione globale di ADN utilizza l'elettrosintesi; il resto della produzione prevede la lavorazione su un reattore catalitico ad alta intensità di energia e petrolio, " lei disse.

Il prossimo passo per il team sarà utilizzare questo approccio AI per accelerare i loro sforzi di ricerca. "Invece di utilizzare un modello di ricerca classico che prevede lunghe campagne sperimentali, Gli strumenti di intelligenza artificiale possono aiutarci a prevedere i risultati sperimentali. Al meglio delle nostre conoscenze, questa è la prima volta che l'intelligenza artificiale viene utilizzata per ottimizzare un processo elettrochimico, "Disse Modestino.