Pretvaranje CO2 u korisne proizvode

Kemijski inženjeri Instituta tehnologije u Massachusettsu (MIT), osmislili su učinkovit način pretvaranja ugljičnog dioksida u ugljični monoksid, kemijski prekursor koji se može koristiti za stvaranje korisnih spojeva poput etanola i drugih goriva.

Ako se poveća za industrijsku upotrebu, ovaj bi proces mogao pomoći u uklanjanju ugljičnog dioksida iz elektrana i drugih izvora, smanjujući količinu stakleničkih plinova koji se ispuštaju u atmosferu.

"To bi vam omogućilo da ugljični dioksid iz emisija ili otopljen u oceanu pretvorite u profitabilne kemikalije. To je doista put naprijed za dekarbonizaciju jer možemo uzeti CO 2 , koji je staklenički plin, i pretvoriti ga u stvari koje su korisne za kemijsku proizvodnju," kaže kemičarka i viša autorica studije Ariel Furst.

Novi pristup koristi električnu energiju za izvođenje kemijske pretvorbe, uz pomoć katalizatora koji je vezan za površinu elektrode nitima DNK. Ova DNK djeluje poput čička kako bi sve komponente reakcije bile u neposrednoj blizini, čineći reakciju mnogo učinkovitijom nego da sve komponente plutaju u otopini.

Pretvaranje ugljičnog dioksida u korisne proizvode zahtijeva njegovo prvo pretvaranje u ugljični monoksid. Jedan od načina da se to postigne je električna energija, ali količina energije potrebna za tu vrstu elektrokatalize je preskupa.

Kako bi pokušali smanjiti te troškove, istraživači su pokušali koristiti elektrokatalizatore, koji mogu ubrzati reakciju i smanjiti količinu energije koju je potrebno dodati sustavu. Jedna vrsta katalizatora koji se koristi za ovu reakciju je klasa molekula poznatih kao porfirini, koji sadrže metale kao što su željezo ili kobalt i slične su strukture molekulama hema koje prenose kisik u krvi.

Tijekom ove vrste elektrokemijske reakcije, ugljikov dioksid se otapa u vodi unutar elektrokemijskog uređaja koji sadrži elektrodu koja pokreće reakciju. Katalizatori su također suspendirani u otopini. Međutim, ova postavka nije baš učinkovita jer se ugljični dioksid i katalizatori moraju susresti na površini elektrode, što se ne događa često.

Kako bi se reakcija događala češće, što bi povećalo učinkovitost elektrokemijske pretvorbe, Furst je počela raditi na načinima za pričvršćivanje katalizatora na površinu elektrode. DNK se činio idealnim izborom za ovu aplikaciju.

"DNK je relativno jeftina, možete je modificirati kemijski i možete kontrolirati interakciju između dva lanca promjenom sekvenci", kaže ona. "To je kao čičak specifičan za niz koji ima vrlo jake, ali reverzibilne interakcije koje možete kontrolirati."

Kako bi pričvrstili pojedinačne niti DNK na ugljičnu elektrodu, istraživači su koristili dvije "kemijske ručke", jednu na DNK i jednu na elektrodi. Ove se ručke mogu spojiti zajedno, tvoreći trajnu vezu. Komplementarna sekvenca DNK zatim je pričvršćena na porfirinski katalizator, tako da kada se katalizator doda u otopinu, on će se reverzibilno vezati na DNK koja je već pričvršćena na elektrodu, baš kao čičak.

Nakon što je ovaj sustav postavljen, istraživači primjenjuju potencijal (ili prednapon) na elektrodu, a katalizator koristi tu energiju za pretvaranje ugljičnog dioksida u otopini u ugljični monoksid. Reakcija također stvara malu količinu plinovitog vodika iz vode. Nakon što se katalizatori istroše, mogu se osloboditi s površine grijanjem sustava kako bi se prekinule reverzibilne veze između dva lanca DNK i zamijeniti novima.

Koristeći ovaj pristup, istraživači su uspjeli povećati faradejsku učinkovitost reakcije na 100 posto, što znači da sva električna energija koja ulazi u sustav ide izravno u kemijske reakcije, bez gubitka energije. Kad katalizatori nisu vezani DNK, faradejska učinkovitost je samo oko 40 posto.

Ova bi se tehnologija mogla prilično lako proširiti za industrijsku upotrebu, kaže Furst, jer su ugljične elektrode koje su koristili istraživači puno jeftinije od konvencionalnih metalnih elektroda. Katalizatori su također jeftini jer ne sadrže plemenite metale, a potrebna je samo mala koncentracija katalizatora na površini elektrode.

Zamjenom različitih katalizatora, istraživači planiraju pokušati napraviti druge proizvode poput metanola i etanola koristeći ovaj pristup. Helix Carbon, tvrtka koju je pokrenula Furst, također radi na daljnjem razvoju tehnologije za potencijalnu komercijalnu upotrebu.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Journal of the American Chemical Society Au možete pronaći na ovoj poveznici.