ДНК: Масачузетският технологичен институт измисли съвсем нов начин за превръщане на CO2 в полезни продукти

Инженери-химици от Масачузетския технологичен институт разработиха изключително ефективен начин за превръщане на въглеродния диоксид във въглероден окис. Този химически предшественик може да се използва за производството на полезни съединения като етанол и други горива. Когато се разшири, процесът ще отстранява въглеродния диоксид от електроцентралите и промишлените предприятия, като по този начин ще се намали количеството на парниковите газове, изпускани в атмосферата.

Новият подход използва електричество за химическо преобразуване с помощта на катализатор, който е прикрепен към повърхността на електродите чрез ДНК нишки. Тази ДНК действа като велкро, което задържа всички компоненти на реакцията в непосредствена близост. Това я прави много по-ефективна, отколкото ако всички компоненти плуват в разтвор. Цялата електрическа енергия, която постъпва в системата, се насочва директно към химичните реакции без никаква загуба на енергия.

За да се превърне въглеродният диоксид (CO2) в полезен продукт, първо трябва да се превърне във въглероден оксид (CO). Един от начините за това е използването на електроенергия. Но количеството енергия, необходимо за този вид електрокатализа, е много скъпо. За да намалят разходите, изследователите използват електрокатализатори, които ускоряват реакцията и намаляват количеството необходима енергия. Екипът е използвал клас молекули, известни като порфирини. Те съдържат метали като желязо и кобалт и са сходни по структура с молекулите хем, които пренасят кислорода в кръвта.

По време на този вид електрохимична реакция въглеродният диоксид се разтваря във водата в електрохимичното устройство, в което се намира електродът, задействащ реакцията. Катализаторите също са суспендирани в разтвора. Тази инсталация обаче не е много ефективна, тъй като въглеродният диоксид и катализаторите трябва да се срещнат на повърхността на електрода, което се случва рядко. За да може реакцията да протича по-често и да се повиши ефективността на електрохимичното преобразуване, учените са разработили начин за прикрепване на катализаторите към повърхността на електрода. За тази цел те използват ДНК. Според учените ДНК е сравнително евтина, може да се модифицира химически и може да се контролира взаимодействието между две нишки чрез промяна на последователността.

За да прикрепят отделните ДНК нишки към въглеродния електрод, изследователите са използвали две „химически дръжки“. Едната върху ДНК и другата върху електрода. Тези дръжки могат да бъдат съединени, за да образуват здрава връзка. След това подходяща ДНК последователност е прикрепена към катализатор, съдържащ порфирин. Когато катализаторът се добави към разтвора, той се свързва обратимо с ДНК, която вече е прикрепена към електрода като велкро.

След като системата е настроена, изследователите подават напрежение към електрода и катализаторът използва тази енергия, за да превърне въглеродния диоксид в разтвор във въглероден оксид. Реакцията също така освобождава малки количества водороден газ от водата. Когато катализаторите се износят, те могат да бъдат отстранени чрез нагряване на системата (това разкъсва връзките между двете нишки на ДНК) и да бъдат заменени с нови.

Използвайки този подход, изследователите са успели да увеличат ефективността на реакцията на Фарадей до 100%. Това означава, че цялата електрическа енергия, която постъпва в системата, отива директно в химическите реакции без загуба на енергия.