Новый способ преобразования углекислого газа в полезные продукты

Кредит: JACS AU (2024).Doi: 10.1021/jacsau.3c00823

В случае масштабирования для промышленного использования этот процесс может помочь удалить углекислый газ из электростанций и других источников, уменьшив количество парниковых газов, которые выделяются в атмосферу.

“Это позволило бы вам взять углекислый газ из выбросов или растворить в океане, и превратить его в прибыльные химические вещества. Это действительно путь вперед для декарбонизации, потому что мы можем взять CO2, который является парниковым газом, и превратить его в вещи, которые являются вещамиПолезно для химического производства », - говорит Ариэль Фурст, доцент по развитию карьеры Пола М. Кука, профессор химического машиностроения и старший автор исследования.

Новый подход использует электричество для выполнения химического преобразования с помощью катализатора, привязанного к поверхности электрода прядями ДНК.Эта ДНК действует как липучка, чтобы держать все компоненты реакции в непосредственной близости, делая реакцию гораздо более эффективной, чем если бы все компоненты плавали в растворе.

Furst создал компанию под названием Helix Carbon для дальнейшего развития технологии.Бывший фанат банды MIT Postdoc Bang является ведущим автором статьи, которая опубликована в журнале Американского химического общества AU.Другие авторы включают Натан Корбин доктор философии.‘21, Minju Chung Ph.D.23 года, бывшие постдоки MIT Томас Гилл и Амрута Карбелькар и Эван Мур ‘23.

Разбивая CO2

Преобразование углекислого газа в полезные продукты требует сначала превратить его в угарный газ.Один из способов сделать это - с электричеством, но количество энергии, необходимой для этого типа электрокатализа, чрезмерно дорого.

Чтобы попытаться снизить эти затраты, исследователи пытались использовать электрокатализаторы, что может ускорить реакцию и уменьшить количество энергии, которая должна быть добавлена в систему.Одним из типов катализатора, используемого для этой реакции, является класс молекул, известных как порфирины, которые содержат металлы, такие как железо или кобальт и имеют сходные по структуре с молекулами гема, которые несут кислород в крови.

Во время этого типа электрохимической реакции диоксид углерода растворяется в воде внутри электрохимического устройства, которое содержит электрод, который управляет реакцией.Катализаторы также подвешены в растворе.Тем не менее, эта установка не очень эффективна, потому что углекислый газ и катализаторы должны встречаться друг с другом на поверхности электрода, что происходит не очень часто.

Чтобы реакция возникала чаще, что повысило бы эффективность электрохимического преобразования, Фурст начал работать над способами прикрепления катализаторов к поверхности электрода.ДНК, казалось, была идеальным выбором для этого приложения.

«ДНК относительно недорогая, вы можете их химически изменять, и вы можете контролировать взаимодействие между двумя нитями, изменяя последовательности», - говорит она.«Это как специфичная для последовательности липуха, которая имеет очень сильные, но обратимые взаимодействия, которые вы можете управлять».

Чтобы прикрепить отдельные нити ДНК к углеродному электроду, исследователи использовали две «химические ручки», одну на ДНК и одну на электроде.Эти ручки могут быть сломаны вместе, образуя постоянную связь.Комплементарная последовательность ДНК затем прикрепляется к порфириновому катализатору, так что, когда катализатор добавляется к раствору, он обратимо связываться с ДНК, которая уже прикреплена к электроду, как на липучке.

Как только эта система настроена, исследователи применяют потенциал (или смещение) к электроду, и катализатор использует эту энергию для преобразования углекислого газа в раствор в угарный газ.Реакция также генерирует небольшое количество водорода, из воды.После того, как катализаторы изнашиваются, они могут высвободиться с поверхности, нагревая систему, чтобы разбить обратимые связи между двумя пряди ДНК и заменить новыми.

Используя этот подход, исследователи смогли повысить эффективность фарадаической реакции на 100%, а это означает, что вся электрическая энергия, которая входит в систему, входит непосредственно в химические реакции, и не потрачена энергией.Когда катализаторы не привязаны ДНК, эффективность фардада составляет всего около 40%.

По словам Фурста, эта технология может быть масштабирована для промышленного использования, потому что углеродные электроды, которые использовали исследователи, гораздо дешевле, чем обычные металлические электроды.Катализаторы также являются недорогими, поскольку они не содержат каких -либо драгоценных металлов, и на поверхности электрода необходима только небольшая концентрация катализатора.

Обмениваясь различными катализаторами, исследователи планируют попытаться создать другие продукты, такие как метанол и этанол, используя этот подход.Helix Carbon, компания, основанная на Furst, также работает над дальнейшей разработкой технологии для потенциального коммерческого использования.

Больше информации: Bang Fan et al., Электроюревна с высокоэффективной диоксидом углекислого газа посредством иммобилизации DNA-ориентированного катализатора, JACS AU (2024).Doi: 10.1021/jacsau.3c00823