מהנדסים כימיים של MIT יצרו שיטה יעילה להמרת פחמן דו חמצני לפחמן חד חמצני, תוך שימוש בתהליך קטליטי קשור ב-DNA שיכול להפחית משמעותית את פליטת גזי חממה. פריצת דרך זו מציעה מסלול חדש לייצור כימיקלים בעלי ערך מ-CO2, עם פוטנציאל ליישום תעשייתי בקנה מידה גדול. קרדיט: twoday.co.il.com
זרז קשור על ידי DNA מגביר את יעילות ההמרה האלקטרוכימית של CO2 ל-CO, אבן בניין לתרכובות כימיות רבות.
MIT מהנדסים כימיים המציאו דרך יעילה להמיר פחמן דו חמצני לפחמן חד חמצני, מבשר כימי שניתן להשתמש בו ליצירת תרכובות שימושיות כמו אתנול ודלקים אחרים.
אם יוגדל לשימוש תעשייתי, תהליך זה יכול לסייע בהסרת פחמן דו חמצני מתחנות כוח וממקורות אחרים, ולהפחית את כמות גזי החממה המשתחררים לאטמוספירה.
מהנדסים כימיים של MIT הראו כי באמצעות DNA לקשור זרז (עיגולים כחולים) לאלקטרודה, הם יכולים להפוך את ההמרה של פחמן דו חמצני לפחמן חד חמצני ליעילה הרבה יותר. קרדיט: כריסטין דנילוף, MIT; iStock
טכנולוגיית דקרבוניזציה מהפכנית
"זה יאפשר לך לקחת פחמן דו חמצני מפליטות או מומס באוקיינוס, ולהמיר אותו לכימיקלים רווחיים. זה באמת דרך קדימה לדה-קרבוניזציה כי אנחנו יכולים לקחת CO2שהוא גז חממה, ולהפוך אותו לדברים שימושיים לייצור כימי", אומר אריאל פירסט, עוזר פרופסור לפיתוח קריירה של פול מ. קוק להנדסה כימית והמחבר הבכיר של המחקר.
הגישה החדשה משתמשת בחשמל כדי לבצע את ההמרה הכימית, בעזרת זרז שקשור למשטח האלקטרודה על ידי גדילי DNA. ה-DNA הזה פועל כמו סקוטש כדי לשמור על כל מרכיבי התגובה בקרבת מקום, מה שהופך את התגובה ליעילה הרבה יותר מאשר אם כל הרכיבים היו צפים בתמיסה.
פורסט הקימה חברה בשם Helix Carbon כדי לפתח את הטכנולוגיה. לשעבר פוסט דוקטורט של MIT Gang Fan הוא המחבר הראשי של המאמר, המופיע ב- כתב העת של האגודה האמריקאית לכימיה Au. מחברים אחרים כוללים את נתן קורבין PhD '21, Minju Chung PhD '23, פוסט דוקטורט לשעבר ב-MIT, תומס גיל ואמרוטה קרבלקר, ואוון מור '23.
פירוק CO2
המרת פחמן דו חמצני למוצרים שימושיים דורשת תחילה הפיכתו לפחמן חד חמצני. אחת הדרכים לעשות זאת היא באמצעות חשמל, אך כמות האנרגיה הנדרשת עבור סוג זה של אלקטרוקטליזה יקרה באופן בלתי רגיל.
כדי לנסות להוזיל את העלויות הללו, ניסו חוקרים להשתמש באלקטרוקטליזטורים, שיכולים להאיץ את התגובה ולהפחית את כמות האנרגיה שצריך להוסיף למערכת. סוג אחד של זרזים המשמשים לתגובה זו הוא מחלקה של מולקולות המכונה פורפירינים, המכילות מתכות כגון ברזל או קובלט ודומות במבנהן למולקולות ההם הנושאות חמצן בדם.
במהלך סוג זה של תגובה אלקטרוכימית, פחמן דו חמצני מומס במים בתוך מכשיר אלקטרוכימי, המכיל אלקטרודה המניעה את התגובה. הזרזים תלויים גם בתמיסה. עם זאת, התקנה זו אינה יעילה במיוחד מכיוון שהפחמן הדו-חמצני והזרזים צריכים להיתקל זה בזה על פני האלקטרודה, מה שלא קורה לעיתים קרובות.
כדי לגרום לתגובה להתרחש בתדירות גבוהה יותר, מה שיגביר את יעילות ההמרה האלקטרוכימית, פורסט החל לעבוד על דרכים לחבר את הזרזים לפני השטח של האלקטרודה. נראה היה ש-DNA הוא הבחירה האידיאלית עבור יישום זה.
"ה-DNA הוא זול יחסית, אתה יכול לשנות אותו כימית, ואתה יכול לשלוט באינטראקציה בין שני גדילים על ידי שינוי הרצפים", היא אומרת. "זה כמו סקוטש ספציפי לרצף שיש לו אינטראקציות חזקות מאוד אבל הפיכות שאפשר לשלוט בהן."
כדי לחבר גדילים בודדים של DNA לאלקטרודת פחמן, החוקרים השתמשו בשתי "ידיות כימיות", אחת על ה-DNA ואחת על האלקטרודה. ידיות אלה ניתנות להצמדה זו לזו ויוצרות קשר קבוע. לאחר מכן מחובר רצף DNA משלים לזרז הפורפירין, כך שכאשר הזרז יתווסף לתמיסה, הוא ייקשר באופן הפיך ל-DNA שכבר מחובר לאלקטרודה – בדיוק כמו סקוטש.
לאחר הקמת מערכת זו, החוקרים מיישמים פוטנציאל (או הטיה) על האלקטרודה, והזרז משתמש באנרגיה זו כדי להמיר פחמן דו חמצני בתמיסה לפחמן חד חמצני. התגובה יוצרת גם כמות קטנה של גז מימן, מהמים. לאחר שהזרזים נשחקים, ניתן לשחרר אותם מפני השטח על ידי חימום המערכת כדי לשבור את הקשרים ההפיכים בין שני גדילי ה-DNA, ולהחליף אותם בחדשים.
המרה אלקטרוכימית פורצת דרך
באמצעות גישה זו, החוקרים הצליחו להגביר את היעילות הפראדית של התגובה ל-100 אחוז, כלומר כל האנרגיה החשמלית שנכנסת למערכת נכנסת ישירות לתגובות הכימיות, ללא בזבוז אנרגיה. כאשר הזרזים אינם קשורים ב-DNA, היעילות הפראדית היא רק כ-40 אחוזים.
ניתן להגדיל את הטכנולוגיה הזו לשימוש תעשייתי די בקלות, אומר פורסט, מכיוון שאלקטרודות הפחמן שבהן השתמשו החוקרים הן הרבה פחות יקרות מאלקטרודות מתכת קונבנציונליות. הזרזים גם זולים, מכיוון שהם אינם מכילים מתכות יקרות, ויש צורך רק בריכוז קטן של הזרז על פני האלקטרודה.
על ידי החלפת זרזים שונים, החוקרים מתכננים לנסות לייצר מוצרים אחרים כגון מתנול ואתנול באמצעות גישה זו. Helix Carbon, החברה שהוקמה על ידי Furst, עובדת גם על פיתוח נוסף של הטכנולוגיה לשימוש מסחרי פוטנציאלי.
המחקר מומן על ידי משרד המחקר של צבא ארה"ב, תוכנית החוקרים העולמית של CIFAR עזריאלי, יוזמת MIT Energy ומרכז MIT Deshpande.
