Чтобы превратить углекислый газ (CO2) в полезные продукты, необходимо сначала преобразовать его в оксид углерода (CO). Один из способов сделать это — использовать электричество. Но количество энергии, необходимое для этого типа электрокатализа, обходится очень дорого. Для снижения затрат исследователи использовали электрокатализаторы, которые могут ускорить реакцию и уменьшить количество необходимой энергии. Команда применила класс молекул, известных как порфирины. Они содержат такие металлы, как железо или кобальт, и по структуре похожи на молекулы гема, переносящие кислород в крови.
Во время электрохимической реакции этого типа углекислый газ растворяется в воде внутри электрохимического устройства, которое содержит электрод, запускающий реакцию. Катализаторы также суспендированы в растворе. Однако эта установка не очень эффективна, поскольку углекислый газ и катализаторы должны встретиться друг с другом на поверхности электрода, что случается редко. Чтобы реакция происходила чаще, повышая эффективность электрохимического преобразования, ученые придумали способ прикрепить катализаторы к поверхности электрода. Для этого они использовали ДНК. По словам ученых, ДНК относительно недорога, ее можно модифицировать химически и контролировать взаимодействие между двумя цепями, изменяя последовательности.
Чтобы прикрепить отдельные нити ДНК к углеродному электроду, исследователи использовали две «химические ручки»: одну на ДНК, а другую на электроде. Эти ручки можно соединить вместе, образуя прочную связь. Затем к катализатору, содержащему порфирин, присоединили подходящую последовательность ДНК. Когда катализатор добавляется в раствор, он обратимо связывается с ДНК, которая уже прикреплена к электроду, как липучка.
После настройки системы исследователи подают потенциал (или смещение) на электрод, и катализатор использует эту энергию для преобразования углекислого газа в растворе в оксид углерода. В ходе реакции из воды также выделяется небольшое количество газообразного водорода. Когда катализаторы изнашиваются, их можно убрать путем нагревания системы (это разорвет связи между двумя нитями ДНК), и заменить новыми.
Используя этот подход, исследователи смогли повысить фарадеевскую эффективность реакции до 100%. Это означает, что вся электрическая энергия, поступающая в систему, идет непосредственно на химические реакции без потерь энергии. Когда катализаторы не связаны ДНК, фарадеевская эффективность составляет всего 40%. Эту технологию можно легко масштабировать для промышленного использования, поскольку угольные электроды, которые использовали исследователи, намного дешевле, чем обычные металлические. Катализаторы также недороги, поскольку не содержат драгоценных металлов. К тому же, на поверхности электрода необходима лишь небольшая концентрация катализатора.
Заменив катализаторы, исследователи планируют попробовать создать тем же способом другие продукты, например, метанол и этанол. Ученые основали компанию Helix Carbon для дальнейшего развития этой технологии.
