Инженеры MIT нашли способ удалять углекислый газ с помощью измененного ДНК внутри каталитического процесса

Инженеры-химики Массачусетского технологического института создали эффективный метод преобразования углекислого газа в монооксид углерода с использованием каталитического процесса, связанного с ДНК, который может значительно сократить выбросы парниковых газов. Этот прорыв открывает новый путь производства ценных химикатов из CO2 с потенциалом для крупномасштабного промышленного применения.

Катализатор, связанный с ДНК, повышает эффективность электрохимического преобразования CO2 в CO — строительный блок для многих химических соединений. Инженеры разработали эффективный способ преобразования диоксида углерода в окись углерода, химический предшественник, который можно использовать для производства полезных соединений, таких как этанол и другие виды топлива.

Если его масштабировать для промышленного использования, этот процесс может помочь удалить углекислый газ из электростанций и других источников, уменьшив количество парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу. Инженеры показали, что они могут сделать преобразование углекислого газа в окись углерода гораздо более эффективным, используя ДНК для привязки катализатора к электроду.

«Это позволит вам извлекать углекислый газ из выбросов или растворенный в океане и превращать его в прибыльные химические вещества. Это действительно путь вперед к декарбонизации, потому что мы можем взять CO2, который является парниковым газом, и превратить его в вещества, полезные для химического производства», — говорит Ариэль Ферст, доцент кафедры химической инженерии и развития Пола М. Кука. старший автор исследования.

Новый подход использует электричество для выполнения химического преобразования с помощью катализатора, который привязан к поверхности электрода нитями ДНК. Эта ДНК действует как застежка-липучка, удерживая все компоненты реакции в непосредственной близости, что делает реакцию намного более эффективной, чем если бы все компоненты плавали в растворе. Ферст основала компанию Helix Carbon для дальнейшего развития этой технологии.

Чтобы превратить углекислый газ в полезные продукты, необходимо сначала превратить его в окись углерода. Один из способов сделать это — использовать электричество, но количество энергии, необходимое для этого типа электрокатализа, непомерно велико. Чтобы снизить эти затраты, исследователи попытались использовать электрокатализаторы, которые могут ускорить реакцию и уменьшить количество энергии, которую необходимо добавить в систему.

Одним из типов катализаторов, используемых в этой реакции, является класс молекул, известных как порфирины, которые содержат такие металлы, как железо или кобальт, и по структуре похожие на молекулы гема, переносящие кислород в крови.

Во время электрохимической реакции этого типа углекислый газ растворяется в воде внутри электрохимического устройства, которое содержит электрод, запускающий реакцию. Катализаторы также суспендированы в растворе. Однако эта установка не очень эффективна, поскольку углекислый газ и катализаторы должны встретиться друг с другом на поверхности электрода, что случается не очень часто.

Чтобы реакция происходила чаще, что повысило бы эффективность электрохимического преобразования, Ферст начала работать над способами прикрепления катализаторов к поверхности электрода. ДНК казалась идеальным выбором для этого.

«ДНК относительно недорога, ее можно модифицировать химически и контролировать взаимодействие между двумя цепями, изменяя последовательности, — говорит она. — Это похоже на липучку для конкретной последовательности, которая имеет очень сильные, но обратимые взаимодействия, которыми вы можете управлять».

Чтобы прикрепить отдельные нити ДНК к углеродному электроду, исследователи использовали две «химические ручки»: одну на ДНК, а другую на электроде. Эти ручки можно соединить вместе, образуя прочную связь. Затем к порфириновому катализатору прикрепляется комплементарная последовательность ДНК так, что при добавлении в раствор катализатор обратимо связывается с ДНК, которая уже прикреплена к электроду, — точно так же, как застежка-липучка.

После того как эта система настроена, исследователи подают потенциал (или смещение) на электрод и катализатор использует эту энергию для преобразования углекислого газа в растворе в окись углерода. В ходе реакции также выделяется небольшое количество газообразного водорода из воды. После того как катализаторы изнашиваются, их можно освободить путем нагревания системы, чтобы разорвать обратимые связи между двумя нитями ДНК, и заменить новыми.

Используя этот подход, исследователи смогли повысить фарадеевскую эффективность реакции до 100%, а это означает, что вся электрическая энергия, поступающая в систему, идет непосредственно на химические реакции без потерь энергии. Когда катализаторы не связаны ДНК, фарадеевская эффективность составляет всего около 40%.

По словам Ферст, эту технологию можно довольно легко масштабировать для промышленного использования, поскольку угольные электроды, которые были использованы, намного дешевле, чем обычные металлические электроды. Катализаторы тоже недороги, так как не содержат драгоценных металлов, а на поверхности электрода необходима лишь небольшая концентрация катализатора.

Заменив разные катализаторы, исследователи планируют попробовать создать таким же подходом другие продукты, такие как метанол и этанол. Компания Helix Carbon, основанная Ферст, работает над дальнейшим развитием технологии для потенциального коммерческого использования.

До этого ученые создали инструмент, который удаляет инвазивные водоросли из океана и превращает их в еду. Инвазивные водоросли являются проблемой во всем мире. Различные виды морских водорослей представляют угрозу для океанической среды, убивая кораллы, что оказывает влияние на рыб и других морских обитателей. Проживая в Испании у моря, исследователь Соня Уртадо увидела, как большое количество водорослей, известных как Rugulopteryx okamurae, влияет на Средиземное море.