MITの革新的なCO2変換技術

に縛られた触媒 DNA 多くの化合物の成分であるCO2をCOに電気化学的に変換する効率を高めます。

MIT 化学エンジニアは、二酸化炭素をエタノールや他の燃料などの有用な化合物を生成するために使用できる化学前駆体である一酸化炭素に変換する効率的な方法を考案しました。

工業用に規模が拡大すると、このプロセスは発電所や他の排出源から二酸化炭素を除去して大気に放出される温室効果ガスの量を減らすのに役立ちます。

MIT化学エンジニアは、DNAを使用して触媒（青い丸）を電極に接続することで、二酸化炭素を一酸化炭素にはるかに効率的に変換できることを示しました。 出典：Christine Daniloff、MIT。 iStock

革新的な脱炭素化技術

「これにより、排出される二酸化炭素や海に溶解した二酸化炭素を吸収し、収益性の高い化学物質に変換することができます。 私たちがCOを摂取できるので、これは実際に脱炭素化への道です。₂温室効果ガスである物質を化学製造に役立つものに変えることです。」

新しいアプローチは、DNA鎖によって電極表面に接続された触媒の助けを借りて電気を使用して化学変換を行う。 このDNAは、ベルクロのように作用し、すべての反応成分を近接させて、すべての成分が溶液中に浮遊している場合よりも反応をはるかに効率的にします。

Furstは技術をさらに進化させるためにHelix Carbonという会社を立ち上げました。 元MIT博士後の研究者であるGang Fanは、この論文の主な著者です。 アメリカ化学学会誌Au。 他の著者には、Nathan Corbin PhD '21、鄭民主 PhD '23、元MIT博士後研究者 Thomas Gill、Amruta Karbelkar、Evan Moore '23などがあります。

CO分解₂

二酸化炭素を有用な製品に変換するには、まずそれを一酸化炭素に変換する必要があります。 これを行う１つの方法は電気を使用することであるが、このタイプの電気触媒に必要なエネルギーの量は非常に高価である。

このコストを下げるために、研究者は反応速度を上げ、システムに追加する必要があるエネルギー量を減らすことができる電気触媒を試しました。 この反応に使用される触媒の一種は、鉄やコバルトなどの金属を含み、血液中の酸素を運ぶヘム分子と構造が類似するポルフィリンとして知られる分子の種類である。

このタイプの電気化学反応中に、二酸化炭素は反応を誘発する電極を含む電気化学装置内で水に溶解する。 触媒も溶液中に懸濁している。 しかし、この設定は二酸化炭素と触媒が電極表面で互いに会わなければならない。

電気化学変換の効率を高めるために反応がより頻繁に起こるように、Furstは触媒を電極表面に付着させる方法を研究し始めました。 DNAはこのアプリケーションに理想的な選択肢のようです。

「DNAは比較的安価で化学的に修飾することができ、配列を変えることによって2本の鎖間の相互作用を制御することができます」と彼女は言います。 「これは非常に強力ですが、制御可能な可逆的相互作用を持つシーケンス固有のベルクロと同じです。」

ＤＮＡの一本鎖を炭素電極に付着させるために、研究者は２つの「化学的ハンドル」を使用した。 1つはDNAに、もう1つは電極にあります。 このハンドルを一緒に固定して永久的な結合を形成することができます。 次に、相補的なDNA配列がポルフィリン触媒に付着し、触媒が溶液に加えられると、ベルクロのようにすでに電極に付着したDNAに可逆的に結合する。

このシステムが確立されると、研究者は電極に電位（またはバイアス）を印加し、触媒はこのエネルギーを使用して溶液の二酸化炭素を一酸化炭素に変換します。 さらに、この反応は水から少量の水素ガスを生成します。 触媒が磨耗した後、システムを加熱して2つのDNA鎖間の可逆的結合を切断し、新しい触媒と交換して表面から放出させることができます。

画期的な電気化学変換

このアプローチを使用して、研究者は反応のファラデー効率を100％まで高めることができました。 つまり、システムに入るすべての電気エネルギーは、エネルギーを無駄にすることなく化学反応に直接入ります。 触媒がDNAによって連結されていない場合、ファラデー効率は約40％に過ぎません。

研究者が使用した炭素電極は従来の金属電極よりはるかに安価であるため、この技術は工業的用途にかなり容易に拡張できるとFurstは言います。 また、触媒は貴金属を含まないため、価格が安く、電極表面に少ない濃度の触媒しか必要としない。

研究者は、他の触媒を交換することによって、このアプローチを使用してメタノールやエタノールなどの他の製品を作ろうとします。 Furstが始めたHelix Carbon社も、潜在的な商業使用のための技術のさらなる開発に取り組んでいます。

参考文献：Gang Fan、Nathan Corbin、チョン・ミンジュ、Thomas M. Gill、Evan B. Moore、Amruta A. Karbelkar、およびAriel L. Furstの「DNA誘導触媒固定化による高効率のCO2電気還元」、2024年3月25日、 JACS Au。
DOI：10.1021/jacsau.3c00823

この研究は、米陸軍研究室、CIFAR Azrieliグローバル学者プログラム、MITエネルギーイニシアチブ、およびMIT Deshpandeセンターの資金提供を受けました。