Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zademonstrowali nową technikę, wzorowaną na procesie metabolicznym występującym w niektórych bakteriach, służącą do przekształcania dwutlenku węgla (CO2) w ciekły octan, kluczowy składnik w produkcji „ciekłego światła słonecznego” lub paliw słonecznych poprzez sztuczna fotosynteza.
Nowe podejście, opisane w Nature Catalysis, może pomóc w rozwoju bezemisyjnych alternatyw dla paliw kopalnych związanych z globalnym ociepleniem i zmianami klimatycznymi.
Praca jest także pierwszą demonstracją urządzenia, które naśladuje sposób, w jaki te bakterie naturalnie syntetyzują octan z elektronów i CO2.
„Niesamowite jest to, że nauczyliśmy się, jak selektywnie przekształcać dwutlenek węgla w octan, naśladując sposób, w jaki te małe mikroorganizmy robią to naturalnie” – powiedział starszy autor Peidong Yang, który posiada tytuły starszego naukowca wydziału w Berkeley Lab’s Materials Sciences Division oraz profesor chemii i materiałoznawstwa i inżynierii na UC Berkeley. „Wszystko, co robimy w moim laboratorium, aby przekształcić CO2 w użyteczne produkty, jest inspirowane naturą. Jeśli chodzi o łagodzenie emisji CO2 i walkę ze zmianami klimatycznymi, jest to część rozwiązania”.
Od dziesięcioleci naukowcy wiedzą, że szlak metaboliczny niektórych bakterii umożliwia im trawienie elektronów i CO2 w celu wytworzenia octanu, reakcji napędzanej przez elektrony. Szlak rozkłada cząsteczki CO2 na dwie różne lub „asymetryczne” grupy chemiczne: grupę karbonylową (CO) lub grupę metylową (CH3). Enzymy na tym szlaku reakcji umożliwiają wiązanie lub „łączenie” węgli w CO i CH3, co następnie wyzwala kolejną reakcję katalityczną, w wyniku której powstaje octan jako produkt końcowy.
Naukowcy zajmujący się sztuczną fotosyntezą chcieli opracować urządzenia naśladujące chemię szlaku – zwane asymetrycznym sprzęganiem węgiel-węgiel – ale znalezienie syntetycznych elektrokatalizatorów, które działają równie wydajnie, jak naturalne katalizatory enzymatyczne bakterii, było wyzwaniem.
„Ale pomyśleliśmy, że jeśli te mikroorganizmy mogą to zrobić, powinno się być w stanie naśladować ich chemię w laboratorium” – powiedział Yang.
Postęp w sztucznej fotosyntezie za pomocą miedzi wymagającej węgla
Talent miedzi do przekształcania węgla w różne przydatne produkty został po raz pierwszy odkryty w latach 70. XX wieku. Na podstawie tych wcześniejszych badań Yang i jego zespół doszli do wniosku, że urządzenia do sztucznej fotosyntezy wyposażone w miedziany katalizator powinny być w stanie przekształcić CO2 i wodę w grupy metylowe i karbonylowe, a następnie przekształcić te produkty w octan. Tak więc w jednym eksperymencie Yang i zespół zaprojektowali modelowe urządzenie z miedzianą powierzchnią; następnie wystawili powierzchnię miedzi na działanie ciekłego jodku metylu (CH3I) i gazowego CO i zastosowali polaryzację elektryczną w systemie.
Naukowcy postawili hipotezę, że CO przylgnie do powierzchni miedzi, wyzwalając asymetryczne sprzężenie grup CO i CH3 w celu wytworzenia octanu. W doświadczeniach zastosowano znakowany izotopowo CH3I w celu śledzenia ścieżki reakcji i produktów końcowych. (Izotop to atom z większą lub mniejszą liczbą neutronów (nienaładowanych cząstek) w jądrze niż inne atomy danego pierwiastka.)
I mieli rację. Chemiczne eksperymenty analityczne przeprowadzone w laboratorium Yanga na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley ujawniły, że parowanie grup karbonylowych i metylowych w miedzi daje nie tylko octan, ale także inne cenne ciecze, w tym etanol i aceton. Śledzenie izotopowe pozwoliło naukowcom potwierdzić, że octan powstał w wyniku połączenia CO i CH3.
W innym eksperymencie naukowcy zsyntetyzowali ultracienki materiał z roztworu nanocząstek miedzi i srebra, z których każda ma zaledwie 7 nanometrów (miliardowych części metra) średnicy. Następnie naukowcy zaprojektowali kolejne urządzenie modelowe, tym razem pokryte cienkim materiałem nanocząsteczkowym.
Zgodnie z oczekiwaniami, polaryzacja elektryczna wywołała reakcję, zmuszając nanocząsteczki srebra do przekształcenia CO2 w grupę karbonylową, podczas gdy nanocząsteczki miedzi przekształciły CO2 w grupę metylową. Późniejsze analizy w laboratorium Yang ujawniły, że inna reakcja (pożądane asymetryczne sprzęganie) między CO i CH3 syntetyzuje produkty płynne, takie jak octan.
Dzięki eksperymentom z mikroskopem elektronowym w Odlewni Molekularnej naukowcy dowiedzieli się, że nanocząsteczki miedzi i srebra są w bliskim kontakcie ze sobą, tworząc układy tandemowe, oraz że nanocząsteczki miedzi służą jako centrum katalityczne asymetrycznego sprzężenia.
Yang powiedział, że te nanocząsteczki miedzi i srebra mogą potencjalnie zostać połączone z pochłaniającymi światło nanoprzewodami krzemowymi w przyszłym projektowaniu wydajnych systemów sztucznej fotosyntezy.
W 2015 roku Yang współkierował badaniem, które wykazało system sztucznej fotosyntezy składający się z półprzewodnikowych nanoprzewodów i bakterii wykorzystujących energię światła słonecznego do produkcji octanu z dwutlenku węgla i wody. Odkrycie miało znaczące implikacje dla rozwijającej się dziedziny, w której naukowcy spędzili dziesięciolecia, szukając najlepszych reakcji chemicznych, aby uzyskać wysoką wydajność płynnych produktów z CO2.
Nowe badanie rozwija tę wcześniejszą pracę, demonstrując syntetyczny elektrokatalizator – nanocząstki miedzi i srebra – który „wyraźnie naśladuje to, co robią bakterie, aby wytwarzać płynne produkty z CO2” – powiedział Yang. „Nadal mamy wiele do zrobienia, aby go ulepszyć, ale jesteśmy podekscytowani jego potencjałem do przyspieszenia sztucznej fotosyntezy”.
W badaniu wzięli udział naukowcy z Berkeley Lab i UC Berkeley.
Ta praca była wspierana przez DOE Office of Science.
The Molecular Foundry jest obiektem użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab.