Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine neue Technik zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in flüssiges Acetat, einen Schlüsselbestandteil bei der Herstellung von „flüssigem Sonnenlicht“ oder solaren Brennstoffen durch künstliche Photosynthese.
Der neue Ansatz, berichtet in Naturkatalysekönnte dazu beitragen, kohlenstofffreie Alternativen zu fossilen Brennstoffen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung und dem Klimawandel voranzutreiben.
Die Arbeit ist auch die erste Demonstration eines Geräts, das nachahmt, wie diese Bakterien auf natürliche Weise Acetat aus Elektronen und CO synthetisieren2.
„Erstaunlich ist, dass wir gelernt haben, Kohlendioxid selektiv in Acetat umzuwandeln, indem wir nachahmten, wie es diese kleinen Mikroorganismen auf natürliche Weise tun“, sagte der leitende Autor Peidong Yang, der den Titel eines leitenden Fakultätswissenschaftlers in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Chemie und Chemie innehat Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. „Alles, was wir in meinem Labor tun, um CO umzuwandeln2 in nützliche Produkte ist von der Natur inspiriert. In Sachen CO-Minderung2 -Emissionen und die Bekämpfung des Klimawandels, das ist Teil der Lösung.“
Seit Jahrzehnten wissen Forscher, dass ein Stoffwechselweg in einigen Bakterien es ihnen ermöglicht, Elektronen und CO zu verdauen2 um Acetat zu produzieren, eine Reaktion, die von den Elektronen angetrieben wird. Der Weg bricht CO2 Moleküle zerfallen in zwei verschiedene oder „asymmetrische“ chemische Gruppen: eine Carbonylgruppe (CO) oder eine Methylgruppe (CH3). Enzyme in diesem Reaktionsweg aktivieren die Kohlenstoffe in CO und CH3 zu binden oder zu „koppeln“, was dann eine weitere katalytische Reaktion auslöst, die Acetat als Endprodukt erzeugt.
Forscher auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese wollten Geräte entwickeln, die die Chemie des Signalwegs – sogenannte asymmetrische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung – nachahmen, aber es war eine Herausforderung, synthetische Elektrokatalysatoren zu finden, die so effizient arbeiten wie die natürlichen enzymatischen Katalysatoren von Bakterien.
„Aber wir dachten, wenn diese Mikroorganismen das können, sollte man in der Lage sein, ihre Chemie im Labor nachzuahmen“, sagte Yang.
Förderung der künstlichen Photosynthese mit kohlenstoffhungrigem Kupfer
Das Talent von Kupfer, Kohlenstoff in verschiedene nützliche Produkte umzuwandeln, wurde erstmals in den 1970er Jahren entdeckt. Basierend auf diesen früheren Studien argumentierten Yang und sein Team, dass künstliche Photosynthesegeräte, die mit einem Kupferkatalysator ausgestattet sind, in der Lage sein sollten, CO umzuwandeln2 und Wasser in Methyl- und Carbonylgruppen und wandeln diese Produkte dann in Acetat um. Also entwarfen Yang und sein Team für ein Experiment ein Modellgerät mit einer Kupferoberfläche; dann setzten sie die Kupferoberfläche flüssigem Methyliodid (CH3I) und CO-Gas und legte eine elektrische Vorspannung an das System an.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass CO an der Kupferoberfläche haften bleiben und die asymmetrische Kopplung von CO und CH auslösen würde3 Gruppen zur Herstellung von Acetat. Isotopenmarkiertes CH3Ich wurde in den Experimenten verwendet, um den Reaktionsweg und die Endprodukte zu verfolgen. (Ein Isotop ist ein Atom mit mehr oder weniger Neutronen (ungeladenen Teilchen) in seinem Kern als andere Atome eines Elements.)
Und sie hatten recht. Chemische Analyseexperimente, die in Yangs Labor an der UC Berkeley durchgeführt wurden, zeigten, dass die Paarung von Carbonyl- und Methylgruppen bei Kupfer nicht nur Acetat, sondern auch andere wertvolle Flüssigkeiten, einschließlich Ethanol und Aceton, produzierte. Durch die Isotopenverfolgung konnten die Forscher bestätigen, dass das Acetat durch die Kombination von CO und CH gebildet wurde3.
In einem anderen Experiment synthetisierten die Forscher ein ultradünnes Material aus einer Lösung von Kupfer- und Silber-Nanopartikeln, die jeweils nur 7 Nanometer (Milliardstel Meter) Durchmesser hatten. Die Forscher entwarfen dann ein weiteres Modellgerät, dieses Mal mit dem dünnen Nanopartikelmaterial beschichtet.
Wie erwartet löste die elektrische Vorspannung eine Reaktion aus, die die Silbernanopartikel dazu veranlasste, CO umzuwandeln2 in eine Carbonylgruppe, während die Kupfernanopartikel CO umwandelten2 in eine Methylgruppe. Nachfolgende Analysen im Yang-Labor zeigten, dass eine andere Reaktion (die begehrte asymmetrische Kupplung) zwischen CO und CH3 synthetisierte flüssige Produkte wie Acetat.
Durch Elektronenmikroskopie-Experimente in der Molecular Foundry erfuhren die Forscher, dass die Kupfer- und Silber-Nanopartikel in engem Kontakt miteinander stehen und Tandemsysteme bilden, und dass die Kupfer-Nanopartikel als katalytisches Zentrum für die asymmetrische Kopplung dienten.
Yang sagte, dass diese Kupfer-Silber-Nanopartikel beim zukünftigen Design effizienter künstlicher Photosynthesesysteme möglicherweise mit lichtabsorbierenden Silizium-Nanodrähten gekoppelt werden könnten.
Im Jahr 2015 war Yang Co-Leiter einer Studie, die ein künstliches Photosynthesesystem demonstrierte, das aus halbleitenden Nanodrähten und Bakterien besteht, die die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Acetat aus Kohlendioxid und Wasser herzustellen. Die Entdeckung hatte erhebliche Auswirkungen auf ein wachsendes Gebiet, in dem Forscher Jahrzehnte damit verbracht haben, nach den besten chemischen Reaktionen zu suchen, um flüssige Produkte aus CO in hoher Ausbeute herzustellen2.
Die neue Studie bringt diese frühere Arbeit voran, indem sie einen synthetischen Elektrokatalysator – die Kupfer-Silber-Nanopartikel – demonstriert, der „eindeutig nachahmt, was Bakterien tun, um flüssige Produkte aus CO herzustellen2“, sagte Yang. „Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um es zu verbessern, aber wir sind begeistert von seinem Potenzial, die künstliche Photosynthese voranzutreiben.“
An der Studie nahmen Forscher des Berkeley Lab und der UC Berkeley teil.
Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science unterstützt.
The Molecular Foundry ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.