Un catalyseur attaché parADNStimule l'efficacité de la conversion électrochimique de CO2 en CO, un bloc de construction pour de nombreux composés chimiques.
AVECLes ingénieurs chimiques ont conçu un moyen efficace de convertir le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, un précurseur chimique qui peut être utilisé pour générer des composés utiles tels que l'éthanol et d'autres combustibles.
S'il est étendu à usage industriel, ce processus pourrait aider à éliminer le dioxyde de carbone des centrales électriques et d'autres sources, réduisant la quantité de gaz à effet de serre libérée dans l'atmosphère.
Technologie de décarbonisation révolutionnaire
«Cela vous permettrait de prendre du dioxyde de carbone des émissions ou de dissoudre dans l'océan, et de le convertir en produits chimiques rentables. C'est vraiment un chemin à terme pour la décarbonisation parce que nous pouvons prendre du CO2, qui est un gaz à effet de serre et le transforme en choses utiles pour la fabrication chimique », explique Ariel Furst, professeur adjoint de développement de carrière de Paul M. Cook en génie chimique et auteur principal de l'étude.
La nouvelle approche utilise l'électricité pour effectuer la conversion chimique, avec l'aide d'un catalyseur qui est attaché à la surface de l'électrode par des brins d'ADN. Cet ADN agit comme Velcro pour garder toutes les composants de réaction à proximité, ce qui rend la réaction beaucoup plus efficace que si tous les composants flottaient en solution.
Furst a lancé une entreprise appelée Helix Carbon pour développer davantage la technologie. L'ancien fan des gangs du MIT Postdoc est l'auteur principal du journal, qui apparaît dans leJournal de l'American Chemical Society Au. Les autres auteurs incluent Nathan Corbin PhD '21, Minju Chung PhD '23, l'ancien MIT Postdocs Thomas Gill et Amruta Karbelkar et Evan Moore '23.
Breaking Down CO2
La conversion du dioxyde de carbone en produits utiles nécessite d'abord de le transformer en monoxyde de carbone. Une façon de le faire est avec l'électricité, mais la quantité d'énergie requise pour ce type d'électrocatalyse est prohibitive.
Pour essayer de réduire ces coûts, les chercheurs ont essayé d'utiliser des électrocatalyseurs, ce qui peut accélérer la réaction et réduire la quantité d'énergie qui doit être ajoutée au système. Un type de catalyseur utilisé pour cette réaction est une classe de molécules appelée porphyrines, qui contiennent des métaux tels que le fer ou le cobalt et sont de structure similaire aux molécules d'hème qui transportent l'oxygène dans le sang.
Au cours de ce type de réaction électrochimique, le dioxyde de carbone est dissous dans l'eau dans un dispositif électrochimique, qui contient une électrode qui entraîne la réaction. Les catalyseurs sont également suspendus dans la solution. Cependant, cette configuration n'est pas très efficace car le dioxyde de carbone et les catalyseurs doivent se rencontrer à la surface de l'électrode, ce qui ne se produit pas très souvent.
Pour que la réaction se produise plus fréquemment, ce qui augmenterait l'efficacité de la conversion électrochimique, Furst a commencé à travailler sur des moyens d'attacher les catalyseurs à la surface de l'électrode. L'ADN semblait être le choix idéal pour cette application.
«L'ADN est relativement peu coûteux, vous pouvez le modifier chimiquement, et vous pouvez contrôler l'interaction entre deux brins en modifiant les séquences», dit-elle. "C'est comme un velcro spécifique à une séquence qui a des interactions très fortes mais réversibles que vous pouvez contrôler."
Pour attacher des brins uniques d'ADN à une électrode de carbone, les chercheurs ont utilisé deux «poignées chimiques», une sur l'ADN et une sur l'électrode. Ces poignées peuvent être cassées ensemble, formant une liaison permanente. Une séquence d'ADN complémentaire est ensuite attachée au catalyseur de porphyrine, de sorte que lorsque le catalyseur est ajouté à la solution, il se liera de manière réversible à l'ADN déjà attaché à l'électrode - tout comme le velcro.
Une fois ce système configuré, les chercheurs appliquent un potentiel (ou biais) à l'électrode, et le catalyseur utilise cette énergie pour convertir le dioxyde de carbone dans la solution en monoxyde de carbone. La réaction génère également une petite quantité d'hydrogène gazeux, de l'eau. Une fois que les catalyseurs se sont épuisés, ils peuvent être libérés de la surface en chauffant le système pour briser les liaisons réversibles entre les deux brins d'ADN et remplacés par de nouveaux.
Conversion électrochimique révolutionnaire
En utilisant cette approche, les chercheurs ont pu stimuler l'efficacité faradique de la réaction à 100%, ce qui signifie que toute l'énergie électrique qui va dans le système va directement dans les réactions chimiques, sans énergie gaspillée. Lorsque les catalyseurs ne sont pas attachés par l'ADN, l'efficacité faradique n'est que d'environ 40%.
Cette technologie pourrait être étendue pour une utilisation industrielle assez facilement, dit Furst, car les électrodes en carbone utilisées par les chercheurs sont beaucoup moins coûteuses que les électrodes métalliques conventionnelles. Les catalyseurs sont également peu coûteux, car ils ne contiennent aucun métal précieux, et seule une petite concentration du catalyseur est nécessaire sur la surface de l'électrode.
En échangeant dans différents catalyseurs, les chercheurs prévoient d'essayer de fabriquer d'autres produits tels que le méthanol et l'éthanol en utilisant cette approche. Helix Carbon, l'entreprise lancée par Furst, travaille également à développer davantage la technologie pour une utilisation commerciale potentielle.
Référence: «Électroduction de dioxyde de carbone hautement efficace via l'immobilisation des catalyseurs dirigée par l'ADN» par Gang Fan, Nathan Corbin, Minju Chung, Thomas M. Gill, Evan B. Moore, Amruta A. Karbelkar et Ariel L. Furst, 25 mars 2024,JACS Au.
Doi: 10.1021 / jacsau.3c00823
La recherche a été financée par le US Army Research Office, le CIFAR Azrieli Global Scholars Program, la MIT Energy Initiative et le MIT Deshpande Center.
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