工程师找到了一种将二氧化碳转化为有用产品的新方法

麻省理工学院的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，一氧化碳是一种化学前体，可用于产生有用的化合物，如乙醇和其他燃料。

如果扩大到工业用途，这个过程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。

“这将使你能够从排放物中吸收二氧化碳或溶解在海洋中，并将其转化为有利可图的化学品。这确实是一条脱碳的前进道路，因为我们可以将二氧化碳（一种温室气体）转化为对化学制造有用的东西，“Paul M. Cook化学工程职业发展助理教授Ariel Furst说。

新方法使用电力进行化学转化，借助通过DNA链拴在电极表面的催化剂。这种DNA的作用就像魔术贴一样，使所有反应组分保持近距离，使反应比所有组分都漂浮在溶液中更有效。

Furst已经创办了一家名为Helix Carbon的公司，以进一步开发这项技术。前麻省理工学院博士后范刚是该论文的主要作者，该论文发表在《 美国化学学会杂志》上。其他作者包括 Nathan Corbin 博士 ’21、Minju Chung 博士 ’23、前麻省理工学院博士后 Thomas Gill 和 Amruta Karbelkar 以及 Evan Moore ’23。

分解 CO₂

将二氧化碳转化为有用的产品需要首先将其转化为一氧化碳。一种方法是用电，但这种类型的电催化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需要添加到系统中的能量。用于该反应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，其结构类似于在血液中携带氧气的血红素分子。

在这种类型的电化学反应中，二氧化碳溶解在电化学装置中的水中，该装置包含驱动反应的电极。催化剂也悬浮在溶液中。然而，这种设置不是很有效，因为二氧化碳和催化剂需要在电极表面相遇，这并不经常发生。

为了使反应更频繁地发生，从而提高电化学转化的效率，Furst开始研究将催化剂附着在电极表面的方法。DNA似乎是这种应用的理想选择。

“DNA相对便宜，你可以用化学方法修饰它，你可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用，”她说。“这就像一个序列特异性的魔术贴，具有非常强大但可逆的相互作用，你可以控制。

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”，一个在DNA上，一个在电极上。这些手柄可以卡在一起，形成永久粘合。然后将互补的DNA序列连接到卟啉催化剂上，因此当催化剂添加到溶液中时，它将可逆地与已经附着在电极上的DNA结合，就像魔术贴一样。

一旦这个系统建立起来，研究人员就会对电极施加电位（或偏置），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。催化剂磨损后，可以通过加热系统从表面释放出来，以破坏两条DNA链之间的可逆键，并用新的键代替。

高效反应

使用这种方法，研究人员能够将反应的法拉第效率提高到100%，这意味着所有进入系统的电能都直接进入化学反应，而不会浪费能量。当催化剂不受DNA束缚时，法拉第效率仅为40%左右。

Furst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的金属电极便宜得多。这些催化剂也很便宜，因为它们不含任何贵金属，并且只需要在电极表面上少量的催化剂。

通过交换不同的催化剂，研究人员计划尝试使用这种方法制造其他产品，如甲醇和乙醇。由Furst创立的公司Helix Carbon也致力于进一步开发该技术，以用于潜在的商业用途。

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斯潘德中心资助。