麻省理工学院革命性的二氧化碳转化技术

与它相连的催化剂 脱氧核糖核酸 它提高了二氧化碳电化学转化为二氧化碳的效率，并且是许多化合物的组成部分。

麻省理工学院 化学工程师设计了一种将二氧化碳转化为一氧化碳的有效方法，一氧化碳是一种可用于生成有用化合物（如乙醇和其他燃料）的化学物质。

如果该过程扩大用于工业用途，它可以帮助去除发电厂和其他来源的二氧化碳，减少释放到大气中的温室气体量。

麻省理工学院的化学工程师已经证明，通过使用 DNA 将催化剂（蓝色圆圈）连接到电极上，他们可以更有效地将二氧化碳转化为一氧化碳。 图片来源：Christine Daniloff，麻省理工学院； 股票

革命性的除碳技术

“这将使您能够从排放物或溶解在海洋中的二氧化碳中提取二氧化碳，并将其转化为有利可图的化学品。这确实是脱碳的一种前进方式，因为我们可以消除二氧化碳₂“它是一种温室气体，并将其转化为对化学制造有用的东西，”保罗·M·库克化学工程职业发展助理教授、该研究的主要作者阿里尔·福雷斯特 (Ariel Forrest) 说。

新方法利用电力进行化学转化，并借助通过 DNA 链附着在电极表面的催化剂。 这种 DNA 的作用就像尼龙搭扣一样，可以将反应的所有成分保持在一起，从而使反应比所有成分都漂浮在溶液中更有效。

Forrest 创建了一家名为 Helix Carbon 的公司来进一步开发该技术。 麻省理工学院（MIT）前研究员范刚是这篇论文的第一作者，该论文发表在《麻省理工学院期刊》上 美国化学会杂志。 其他作者包括 Nathan Corbin 博士 '21、Minju Zhu 博士 '23、前麻省理工学院博士后研究员 Thomas Gill 和 Amruta Karbalkar 以及 Evan Moore '23。

破坏一家公司₂

将二氧化碳转化为有用的产品首先需要将其转化为一氧化碳。 实现此目的的一种方法是使用电，但这种类型的电刺激所需的能量非常昂贵。

为了降低这些成本，研究人员尝试使用电催化剂，它可以加速反应并减少必须添加到系统中的能量。 该反应中使用的一种催化剂是一类称为卟啉的分子，它含有铁或钴等金属，其结构与血液中携带氧气的血红素分子相似。

在这种类型的电化学反应中，二氧化碳溶解在电化学装置内的水中，该装置包含驱动反应的电极。 催化剂也悬浮在溶液中。 然而，这种设置效率不是很高，因为二氧化碳和催化剂必须在电极表面相遇，而这种情况并不经常发生。

为了使反应重复发生，从而提高电化学转换的效率，福雷斯特开始研究将催化剂附着在电极表面的方法。 DNA 似乎是该应用的完美选择。

“DNA 相对便宜，你可以对其进行化学修饰，并且可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用，”她说。 “它就像一个序列的尼龙搭扣，具有非常强的相互作用，但它们是可逆的，你可以控制它们。”

为了将单链 DNA 连接到碳电极上，研究人员使用了两个“化学手柄”，一个位于 DNA 上，一个位于电极上。 这些手柄可以连接在一起以形成永久的结合。 然后，互补的 DNA 序列被附着到卟啉催化剂上，这样当催化剂被添加到溶液中时，它将与已经附着在电极上的 DNA 可逆地结合——就像 Velcro 一样。

一旦这个系统建立起来，研究人员就向电极施加电压（或偏压），催化剂利用这种能量将溶液中的二氧化碳转化为一氧化碳。 该反应还从水中产生少量氢气。 催化剂被侵蚀后，可以通过加热系统来破坏两条DNA链之间的可逆键，并用新的键取代它们，从而将它们从表面释放出来。

开创性的电化学转换

利用这种方法，研究人员能够将反应的法拉第效率提高到 100%，这意味着进入系统的所有电能都直接用于化学反应，而不浪费任何能量。 当催化剂未与 DNA 结合时，法拉第效率仅为 40% 左右。

福雷斯特说，这项技术可以很容易地扩展到工业用途，因为研究人员使用的碳电极比传统金属电极便宜得多。 催化剂也很便宜，因为它们不含任何贵金属，电极表面只需要少量的催化剂。

通过更换不同的催化剂，研究人员计划尝试使用这种方法生产甲醇和乙醇等其他产品。 由 Forrest 创立的 Helix Carbon 也致力于进一步开发该技术以实现潜在的商业用途。

参考文献：“通过 DNA 定向催化剂固定化实现二氧化碳的高效电还原”，作者：Gang Fan、Nathan Corbin、Mingyu Chung 和 Thomas M. 吉尔和埃文 B. 摩尔和阿姆鲁塔 A. 卡皮尔卡，Ariel L. 福雷斯特，2024 年 3 月 25 日， 贾克斯澳大利亚。
doi：10.1021/jacsau.3c00823

该研究由美国陆军研究办公室、CIFAR Azrieli 全球学者计划、麻省理工学院能源计划和麻省理工学院德什潘德中心资助。